Das Innenleben der molekularen Maschinerie aufdecken, die Chromosomen während der Zellteilung formt

Unsere Zellen leisten ein technisches Wunderwerk, wenn es darum geht, Informationen auf kleinem Raum zu verstauen. Jedes Mal, wenn sich eine Zelle teilt, bündelt sie erstaunliche 4 Meter DNA in 46 winzige Pakete, von denen jedes nur einige Millionstel Meter lang ist. Forscher des EMBL Heidelberg und der Julius-Maximilians-Universität Würzburg haben nun entdeckt, wie es einer Familie von DNA-Motorproteinen gelingt, lose angeordnete DNA-Stränge während der Zellteilung in kompakte einzelne Chromosomen zu verpacken.

Die Forscher untersuchten Kondensin, einen Proteinkomplex, der für den Prozess der Chromosomenbildung entscheidend ist. Obwohl dieser Komplex vor mehr als drei Jahrzehnten entdeckt wurde, blieb seine Wirkungsweise weitgehend unerforscht. Im Jahr 2018 zeigten Forscher der Häring-Gruppe am EMBL Heidelberg und ihre Mitarbeiter, dass Kondensinmoleküle DNA-Schleifen bilden, die erklären könnten, wie Chromosomen gebildet werden. Das Innenleben, mit dem der Proteinkomplex dieses Kunststück vollbringt, blieb jedoch unbekannt.

„Wir haben lange an diesem Problem gearbeitet. Aber erst jetzt haben wir durch die Kombination verschiedener experimenteller Ansätze eine Antwort auf diese langjährige Frage gefunden“, sagt Christian Häring, ehemaliger Gruppenleiter am EMBL Heidelberg und jetzt Professor am der Julius-Maximilians-Universität Würzburg.

Durch sorgfältig geplante Experimente, von denen einige das Beobachten und Manipulieren einzelner Kondensinmoleküle beinhalteten, während sie dabei waren, DNA-Schleifen zu bilden, fanden die Forscher heraus, wie verschiedene Teile des Komplexes gemeinsam als molekulare Maschine agieren: Ein Teil hält die DNA stabil, wie z ein Anker, während der andere als Motor fungiert, der die DNA vorwärts bewegt und so eine breite Schleife erzeugt.

Wie andere Motorproteine ​​macht Kondensin „Schritte“ entlang der DNA und verbrennt dabei Zellenergie in Form von ATP. Diese Schritte sind jedoch mehr als 500-mal länger als die Schritte anderer DNA-Motorproteine, obwohl der Energieaufwand ungefähr gleich ist. „Es ist wie ein Formel-1-Rennwagen mit der Energieeffizienz eines E-Bikes“, sagt Indra Shaltiel, die Erstautorin.

„Fortschritte in Kryo-Elektronenmikroskopie-Techniken haben es uns ermöglicht, diesen komplexen Mechanismus in beispielloser Detailtreue zu visualisieren“, sagte Sebastian Eustermann, Gruppenleiter am EMBL Heidelberg und leitender Autor der in veröffentlichten Studie Wissenschaft. „Wir konnten Kondensin in Aktion einfangen und eine molekulare Choreografie davon ableiten, wie ATP seine motorische Aktivität antreibt – ein wichtiger Schritt zum Verständnis der DNA-Schleifenbildung. Ähnliche Schleifen und verwandte molekulare Maschinen wurden in verschiedene genomische Prozesse verwickelt, einschließlich der Kontrolle der Funktionsweise von Genen zwischen den Zellteilungen ein- und ausgeschaltet. Folglich können unsere Ergebnisse noch weitreichendere Auswirkungen haben.“

Condensine gehören zu einer der evolutionär ältesten Familien chromosomaler Proteine. Die Entdeckung dieses neuen Mechanismus eröffnet somit ein ganz neues Forschungsgebiet. „Mitglieder der Klasse der Motorproteine, zu denen das Kondensin gehört, sind vermutlich essenziell für alles Leben auf der Erde“, sagt Häring. „Es ist offensichtlich, dass wir gerade erst anfangen, ihre Rolle zu verstehen und wie sie unter menschlichen Bedingungen beeinflusst werden könnten.“