Die Organisation der DNA in Chromosomen kann durch schwache Wechselwirkungen zwischen Nukleosomen erklärt werden, wie Forschungsergebnisse nahelegen

Ein Artikel von UAB-Professor Joan-Ramon Daban analysiert eingehend die physikalischen Probleme im Zusammenhang mit der DNA-Verpackung, die in Strukturmodellen von Chromosomen oft vernachlässigt wurden.

Die Studie, veröffentlicht im Journal Kleine Strukturenzeigt, dass die in früheren experimentellen Untersuchungen der UAB vorgeschlagene multilaminare Organisation der DNA vollständig mit den strukturellen und funktionellen Eigenschaften der Chromosomen kompatibel ist.

Diese Organisation lässt sich durch schwache Wechselwirkungen zwischen Nukleosomen erklären, den sich wiederholenden Bausteinen, die die DNA-Doppelhelix falten.

Die enorm langen genomischen DNA-Moleküle eukaryotischer Organismen müssen eng gefaltet sein, um in die mikrometrischen Abmessungen der während der Mitose komprimierten Chromosomen zu passen und so die genetische Information vor der Zellteilung zu schützen.

Histone-Proteine ​​wurden in der frühen Evolutionsphase ausgewählt, um DNA in Chromatinfilamente umzuwandeln, die aus vielen Nukleosomen bestehen. Der zentrale Teil jedes Nukleosoms (Kernpartikel) ist eine zylindrische Struktur (5,7 Nanometer hoch und 11 Nanometer im Durchmesser), die aus ungefähr zwei DNA-Windungen (147 Basenpaare) besteht, die um ein Oktamer aus Histonen gewickelt sind.

Das Verständnis des Faltungsmechanismus, der zu einer hohen Verdichtung der Chromatinfilamente in Chromosomen führt, ist seit Jahrzehnten eine große wissenschaftliche Herausforderung.

Ein physikalisch konsistentes und realistisches Strukturmodell für die DNA-Organisation in Chromosomen muss mit allen Einschränkungen kompatibel sein, die durch die beobachteten strukturellen und funktionellen Eigenschaften der Chromosomen auferlegt werden.

Es muss mit der hohen DNA-Konzentration, der länglichen Zylinderform der Chromosomen und den bekannten selbstassoziativen Eigenschaften des Chromatins kompatibel sein und außerdem einen wirksamen Schutz der chromosomalen DNA vor topologischer Verwicklung und mechanischen Brüchen bieten.

Leider werden diese Einschränkungen in verschiedenen Modellen nicht berücksichtigt, die auf der Grundlage der mit verschiedenen experimentellen Techniken und Computermodellstudien erzielten Ergebnisse vorgeschlagen wurden.

Im Labor von Prof. Daban in der Abteilung für Biochemie und Molekularbiologie der UAB hatten Forscher zuvor Techniken der Transmissionselektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Kryo-Elektronentomographie eingesetzt und beobachtet, dass das aus unter ionischen Metaphasenbedingungen hergestellten Chromosomen stammende Chromatin planare Mehrschichtplatten bildet, in denen jede Schicht die Dicke einer Mononukleosomschicht aufweist.

Auf der Grundlage dieser Ergebnisse schlagen die UAB-Forscher vor, dass sich das Chromatinfilament der Chromosomen nach einem regelmäßigen Muster faltet, das aus vielen gestapelten Schichten entlang der Chromosomenachse besteht. Dieses Mehrschichtmodell ist mit allen oben genannten strukturellen Einschränkungen kompatibel.

Darüber hinaus rechtfertigt es die Geometrie der Chromosomenbänder und Translokationen, die bei zytogenetischen Analysen beobachtet wurden, und ist mit möglichen physikalischen Mechanismen zur Kontrolle der Genexpression sowie zur DNA-Replikation, -Reparatur und -Segregation in Tochterzellen kompatibel.

Chromosomen können als selbstorganisierte Flüssigkristalle betrachtet werden

Nukleosomen sind sich wiederholende Bausteine, die in die monotone lineare Struktur der Doppelhelix-DNA eingefügt werden. In verschiedenen Laboren wurde nachgewiesen, dass isolierte Nukleosomkernpartikel eine hohe Tendenz zur direkten Interaktion aufweisen und große säulenförmige Strukturen bilden.

Vermutlich könnte gemäß den Eigenschaften von Weichmateriesystemen das Zusammenspiel dieser schwachen anisotropen Wechselwirkungen zwischen Nukleosomen und thermischer Energie für die Bildung dieser säulenförmigen Strukturen verantwortlich sein.

Im mehrschichtigen Chromosomenmodell führt die wiederholte schwache Wechselwirkung zwischen Nukleosomen zur Stapelung vieler Chromatinschichten. Diese Wechselwirkungen mit niedriger Energie im Nanomaßstab begründen die Selbstorganisation ganzer Chromosomen, die als lamellare Flüssigkristalle betrachtet werden können, die intern durch das kovalente Rückgrat eines einzelnen DNA-Moleküls vernetzt sind.

Die spontane Bildung wohldefinierter dreidimensionaler Muster steht im Einklang mit der aktuellen Forschung in den Nanowissenschaften und der Nanotechnologie, die viele eindrucksvolle Strukturen unterschiedlicher Größe hervorgebracht hat, die sich aus verschiedenen biologischen und synthetischen, sich wiederholenden Bausteinen selbst zusammensetzen.

Prof. Daban ist der Ansicht, dass die Molekularbiologie die Selbstorganisation verschiedener biomolekularer Strukturen entdeckt habe, die Forschung zur Selbstorganisation weicher Materiesysteme gegenwärtig jedoch hauptsächlich auf dem Gebiet der Nanotechnologie vorangetrieben werde.