Chromatin und epigenetische Information

Die DNA im Zellkern liegt in verpackter Form vor. In einem ersten Schritt wird sie um einen Komplex aus Histonproteinen gewickelt; dabei entsteht das Nukleosom. Unterstützt durch weitere Proteine lagern sich die Nukleosomen nachfolgend zu übergeordneten Strukturen zusammen. Dabei entsteht ein Komplex aus DNA und Verpackungsproteinen, der in seiner Gesamtheit als als Chromatin bezeichnet wird (siehe Verpackungshierarchie des Chromatins).

Einzelne Abschnitte der DNA können auf sehr unterschiedliche Art verpackt sein. Nicht nur können die Nukleosomen mehr oder weniger dicht angeordnet sein. Auch besitzen die Histonproteine lange Fortsätze, die mit unterschiedlichen chemischen Modifikationen versehen werden können. In Abhängigkeit von dem Muster der Histonmodifikationen werden unterschiedliche zusätzliche Proteine gebunden. Auf diese Weise entstehen Chromatindomänen mit einer charakteristischen Zusammensetzung und Struktur.

Je nachdem in welcher Art von Chromatindomäne ein Gen liegt, zeigt es ein unterschiedliches Verhalten. So hängt vom Chromatinzustand beispielsweise ab, ob ein Gen aktiv ist; falls ja, über welche Mechanismen seine Aktivität gesteuert wird; oder, falls nein, ob und wie es zu einem späteren Zeitpunkt in Betrieb genommen werden kann. Formal betrachtet enthält der Chromatinzustand also wesentliche Information zur Regulation eines Gens. Diese Information wird zusammenfassend als epigenetische Information bezeichnet.

Nahezu alle Lebewesen benutzen epigenetische Information um komplexe Entwicklungsprozesse zu steuern. Beim Menschen gehören dazu die Anlage eines Körperplans in der Embryonalentwicklung oder die Ausbildung verschiedener Zelltypen wie Blutzellen oder Nervenzellen. Darüberhinaus bedienen wir uns epigenetischer Regulationsmechanismen, um uns veränderten Umweltbedingungen anzupassen. So werden Lernvorgänge oder Reaktionen des Immunsystems maßgeblich auf epigenetischer Ebene gesteuert. Entsprechend dieser zentralen Stellung epigenetischer Regulationsmechanismen gehen Defekte in den beteiligten Faktoren mit schweren Erkrankungen von mentaler Retardierung bis hin zu Krebs einher.

Verpackungshierarchie des Chromatins

Chromatin

Die Verpackung der DNA vollzieht sich in mehreren Schritten. Zunächst bilden DNA und Histonproteine ein Nukleosom. Die perlschnurartig aufgereihten Nukleosomen lagern sich dann zu einer Faser von ca. 30 nm Durchmesser zusammen. Die 30nm-Faser kann sich ihrerseits wiederum zu übergeordneten Strukturen auffalten. Die exakte Geometrie des Chromatins jenseits der 30nm-Faser ist nicht bekannt und möglicherweise nicht genau definiert. Die höchste Verpackungsdichte erreicht das mitotische Chromosom (ganz unten), das im Verlauf einer jeden Zellteilung ausgebildet wird.