Eine “widerspenstige Herausforderung”
Doch zur höheren Ordnung dieser “Perlenketten” gibt es bisher nur Theorien, denn sie in intakten Zellen zu beobachten, ist bisher noch nie gelungen. “Es ist eine der kniffligsten Herausforderungen der Biologie, diese höhere Struktur der DNA zu beobachten und zu sehen, wie sie mit der Funktion des Genoms verknüpft ist”, erklärt Studienleiterin Clodagh O’Shea vom Salk Institute for Biological Studies in La Jolla. Der gängigen und in den meisten Lehrbüchern verewigten Theorie nach lagern sich die Chromatin-“Perlenketten” zu immer dicker werdenden Fasern zusammen, zunächst von 30, dann von 120 und 320 Nanometern Dicke. Diese kombinieren sich schließlich zu den Chromosomen. Beweisen ließ sich dies bisher aber nicht, weil es an geeigneten, zerstörungsfreien Abbildungsmethoden fehlte. “Das Chromatin, das man aus dem Zellkern extrahiert und bearbeitet hat, sieht ganz anders aus als im Naturzustand in der Zelle”, erklärt Erstautor Horng Ou vom Salk Institute.
Um hier Abhilfe zu schaffen, haben Ou und seine Kollegen systematisch nach einem Farbstoff und einer Mikroskopietechnik gesucht, die die Chromatinstruktur sichtbar macht, ohne sie dabei zu verändern oder zu zerstören. Und es gelang: Sie entdeckten einen fluoreszierenden Anthraquinon-Farbstoff, der selektiv an die DNA bindet. Wird dieser Farbstoff bestrahlt, löst dies chemische Reaktionen aus, durch die sich ein metallhaltiges Kontrastmittel an die DNA anlagert. Dies wiederum ist die Voraussetzung, um die Struktur des Erbmaterials mittels Elektronenmikroskopie sichtbar zu machen, wie die Forscher erklären. Im letzten Schritt bereiteten sie Proben von Zellen im Ruhezustand und während der Teilung auf diese Weise vor und untersuchten sie in einem Elektronenmikroskop, das durch Neigen der Probe auch dessen 3D-Struktur abbilden kann. “Dieses ChromEMT ermöglicht erstmals die direkte Visualisierung des Chromatins in dem Größenbereich, der für den Zellkern biologisch relevant ist”, konstatieren Ou und seine Kollegen.
Ganz anders als gedacht
Die große Überraschung: Die Forscher fanden keine Spur von den in den Lehrbüchern postulierten Fasern wachsender Dicke. Von säuberlichen Strukturen höherer Ordnung war nichts zu sehen. Stattdessen bildet das Chromatin große, unordentliche Cluster, in denen das Erbmaterial auf jeweils ganz verschiedene Weise gefaltet und verknäuelt ist: “Wir beobachten zum Beispiel Chromatinketten mit kurzen geraden Abschnitten, in denen das Chromatin wie gestapelt erscheint”, berichten die Wissenschaftler. “Dann wieder gibt es Chromatinketten mit einer helixartigen Windung. Ein weiteres wiederkehrendes Muster ist die Bildung von Schleifen verschiedenster Größe innerhalb und zwischen den Chromatinketten.” Diese verschiedenen Strukturen führen dazu, dass die Packungsdichte der DNA je nach Genregion variiert. Nach Ansicht der Forscher könnte dies darüber entscheiden, welche Genregion für das Ablesen zugänglich ist und welche nicht.
