Doch wie es die Zellen schaffen, ihre DNA von der ausgebreiteten, fädigen Form in die Chromosomen zu verpacken, darüber rätseln Biologen schon seit mehr als hundert Jahren. Zwar weiß man inzwischen, dass die DNA in den Chromosomen eine Reihe von eng aneinander liegenden Schlaufen bildet, aber wie genau die DNA von einem Zustand in den anderen kommt, war bisher unklar. “Der gesamte Prozess dauert nur zehn bis 15 Minuten – das ist einfach unglaublich”, sagt Dekker. Um das “Drehbuch” der zellulären Verpackungsmaschinerie zu enträtseln, haben Dekker und seine Kollegen einen Trick genutzt: Durch chemisch-genetische Manipulation brachten sie die Zellen von Hühnern dazu, simultan mit dem Verpacken ihres Erbguts zu beginnen. An mehreren Punkten dieses Prozesses stoppten sie die Zellprozesse und konnten so “Schnappschüsse” des jeweiligen Packzustands der DNA erstellen.
Erst Schlaufen, dann eine Spirale
Es zeigte sich: Wenn die Prophase beginnt – und damit der Prozess der Chromosomenbildung, ziehen sich die fädig-klumpigen DNA-Stränge zu dickeren stäbchenförmigen Gebilden zusammen. Wie die Forscher herausfanden, spielt dabei ein bestimmtes Protein eine entscheidende Rolle: Das Condensin II sorgt in der Prophase dafür, dass die DNA-Fäden eine Abfolge dicht aneinander liegender Schlaufen bilden – dadurch verkürzen sich die Fäden. Die Proteinmoleküle bilden dabei das Gerüst für die gefaltete DNA. Mit dem Übergang in die Prometaphase beginnt sich dann die Zellkernhülle langsam aufzulösen. Jetzt tritt ein zweites Packprotein in Aktion: Condensin I. Dieses unterteilt die DNA-Schlaufen in noch kleinere Untereinheiten und bringt den Strang dann dazu, sich spiralig wie eine Wendeltreppe einzuwickeln. Im Laufe weniger Minuten wickelt sich das Erbgut dabei zu immer dickeren, flacheren Wendeln auf, wie die Forscher erklären. Die Bündel werden so immer dicker und kürzer, bis sie am Ende die kompakte Chromosomenform besitzen.
Erstmals ist damit klar, nach welchem “Drehbuch” die Zelle ihr Erbgut vor der Teilung verpackt – und wie komplex und gleichzeitig elegant dieser Prozess vor sich geht. Das erklärt nicht nur einen der grundlegenden Vorgänge in allen höheren Zellen, es hilft künftig auch dabei, Fehler in diesem Packprozess besser verstehen und möglicherweise verhindern zu können. Hinzu kommt: “Dieses Modell versöhnt viele scheinbar widersprüchliche Beobachtungen, die in den letzten Jahrzehnten gemacht worden sind”, so Dekker und seine Kollegen. Denn während einige Forscher in den Chromosomen Anzeichen für eine spiralige Architektur fanden, sahen andere vorwiegend Schlaufen. Die aktuellen Ergebnisse zeigen nun: Beide Fraktionen hatten recht. Denn für die Verpackung des Erbguts wird die DNA sowohl in mehrschichtige Schlaufen als auch in eine helikale Spirale gelegt. “Das finde ich sehr befriedigend: Ausgehend von zwei Datensätzen, die augenscheinlich unterschiedliche Dinge sagen, finden wir einen Weg, beiden Recht zu geben”, sagt Dekker.
