Chromosomen und Chromatinstruktur höherer Ordnung

Chromatin wird während der Mitose stark kondensiert, um die kompakten Metaphasenchromosomen zu bilden, die auf Tochterkerne verteilt sind (siehe Abbildung 4.12). Während der Interphase bleibt ein Teil des Chromatins (Heterochromatin) stark kondensiert und ist transkriptionell inaktiv; Der Rest des Chromatins (Euchromatin) wird dekondensiert und im gesamten Kern verteilt (Abbildung 8.15). Zellen enthalten zwei Arten von Heterochromatin. Konstitutives Heterochromatin enthält DNA-Sequenzen, die niemals transkribiert werden, wie die an Zentromeren vorhandenen Satellitensequenzen. Fakultatives Heterochromatin enthält Sequenzen, die nicht in der untersuchten Zelle, sondern in anderen Zelltypen transkribiert werden. Folglich variiert die Menge an fakultativem Heterochromatin in Abhängigkeit von der Transkriptionsaktivität der Zelle. Ein Großteil des Heterochromatins ist an der Peripherie des Kerns lokalisiert, möglicherweise weil eines der mit Heterochromatin assoziierten Hauptproteine an ein Protein der inneren Kernmembran bindet.

Abbildung 8.15

Heterochromatin in Interphasenkernen. Das Euchromatin ist im gesamten Zellkern verteilt. Das Heterochromatin wird durch Pfeilspitzen und der Nukleolus durch einen Pfeil angezeigt. (Mit freundlicher Genehmigung von Ada L. Olins und Donald E. Olins, Oak Ridge National Laboratory.) (Mehr…)

Das Phänomen der Inaktivierung von X-Chromosomen liefert ein Beispiel für die Rolle von Heterochromatin bei der Genexpression. Bei vielen Tieren, einschließlich Menschen, haben Frauen zwei X-Chromosomen und Männer ein X- und ein Y-Chromosom. Das X-Chromosom enthält Tausende von Genen, die auf dem viel kleineren Y-Chromosom nicht vorhanden sind (siehe Abbildung 4.26). Somit haben Frauen doppelt so viele X-Chromosom-Gene wie Männer. Trotz dieses Unterschieds enthalten weibliche und männliche Zellen gleiche Mengen der Proteine, die von X-Chromosomengenen kodiert werden. Dies resultiert aus einem Dosiskompensationsmechanismus, bei dem eines der beiden X-Chromosomen in weiblichen Zellen inaktiviert wird, indem es früh in der Entwicklung in Heterochromatin umgewandelt wird. Folglich steht nur eine Kopie des X-Chromosoms für die Transkription in weiblichen oder männlichen Zellen zur Verfügung. Der Mechanismus der Inaktivierung des X-Chromosoms ist faszinierend, wenn auch noch nicht vollständig verstanden; Es scheint die Wirkung einer regulatorischen RNA zu beinhalten, die das inaktive X-Chromosom bedeckt und seine Umwandlung in Heterochromatin induziert.Obwohl das Interphasen-Chromatin gleichmäßig verteilt zu sein scheint, sind die Chromosomen tatsächlich organisiert angeordnet und in diskrete funktionelle Domänen unterteilt, die eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Genexpression spielen. Die nicht zufällige Verteilung von Chromatin innerhalb des Interphasenkerns wurde erstmals 1885 von C. Rabl vorgeschlagen, der vorschlug, dass jedes Chromosom ein bestimmtes Territorium einnimmt, wobei Zentromere und Telomere an gegenüberliegenden Seiten der Kernhülle befestigt sind (Abbildung 8.16). Dieses Grundmodell der Chromosomenorganisation wurde fast hundert Jahre später (1984) durch detaillierte Untersuchungen von Polytenchromosomen in Drosophila-Speicheldrüsen bestätigt. Anstatt sich zufällig umeinander zu wickeln, wurde festgestellt, dass jedes Chromosom eine diskrete Region des Kerns einnimmt (Abbildung 8.17). Die Chromosomen sind an vielen Stellen eng mit der Kernhülle verbunden, wobei ihre Zentromere und Telomere an entgegengesetzten Polen gruppiert sind.

Abbildung 8.16

Chromosomenorganisation. Reproduktion von handgezeichneten Skizzen von Chromosomen in Salamanderzellen. (A) Vollständige Chromosomen. (B) Nur Telomere (an der Kernmembran lokalisiert). (Aus C. Rabl, 1885. Morphologisches Jahrbuch 10: 214.)

Abbildung 8.17

Organisation der Drosophila-Chromosomen. (A) Ein Modell des Zellkerns, das die fünf Chromosomenarme in verschiedenen Farben zeigt. Die Positionen von Telomeren und Zentromeren sind angegeben. (B) Die beiden Arme des Chromosoms 3 sind gezeigt, um die topologische veranschaulichen (mehr…)

Einzelne Chromosomen besetzen auch unterschiedliche Gebiete innerhalb der Kerne von Säugetierzellen (Abbildung 8.18). Aktiv transkribierte Gene scheinen an der Peripherie dieser Gebiete lokalisiert zu sein, angrenzend an Kanäle, die die Chromosomen trennen. Es wird angenommen, dass neu transkribierte RNAs in diese Kanäle zwischen Chromosomen freigesetzt werden, wo die RNA-Verarbeitung stattfindet.

Abbildung 8.18

Organisation der Chromosomen im Säugerkern. (A) Sonden zu wiederholten Sequenzen auf Chromosom 4 wurden an eine menschliche Zelle hybridisiert. Die beiden Kopien von Chromosom 4, identifiziert durch gelbe Fluoreszenz, besetzen unterschiedliche Gebiete im Kern. (B) (mehr…)

Wie die DNA in Metaphasenchromosomen (siehe Abbildung 4.13) scheint das Chromatin in Interphasenkernen in geschlungenen Domänen organisiert zu sein, die ungefähr 50 bis 100 kb DNA enthalten. Ein gutes Beispiel für diese geschlungene Domänenorganisation liefern die hoch transkribierten Chromosomen von amphibischen Oozyten, in denen aktiv transkribierte DNA-Regionen als verlängerte Schleifen von dekondensiertem Chromatin sichtbar gemacht werden können (Abbildung 8.19). Diese Chromatindomänen scheinen diskrete funktionelle Einheiten darzustellen, die die Genexpression unabhängig regulieren.

Abbildung 8.19

Geschlungene Chromatindomänen. Leichte mikroskopische Aufnahme eines Chromosoms von amphibischen Oozyten, die dekondensierte Schleifen von aktiv transkribiertem Chromatin zeigt, die sich von einer Achse von hochkondensiertem nichttranskribiertem Chromatin erstrecken. (Mit freundlicher Genehmigung von Joseph Gall, Carnegie Institute.) (Mehr…)

Die Auswirkungen der Chromosomenorganisation auf die Genexpression wurden durch eine Vielzahl von Experimenten gezeigt, die zeigen, dass die Position eines Gens in chromosomaler DNA die Ebene beeinflusst, auf der das Gen exprimiert wird. Zum Beispiel hängt die Transkriptionsaktivität von Genen, die in transgene Mäuse eingeführt werden, von ihren Integrationsstellen im Mausgenom ab. Dieser Effekt der chromosomalen Position auf die Genexpression kann durch Sequenzen, die als Lokuskontrollregionen bekannt sind, gemildert werden, die unabhängig von ihrem Integrationsort zu einem hohen Expressionsniveau der eingeführten Gene führen. Im Gegensatz zu transkriptionellen Enhancern (siehe Kapitel 6) stimulieren Locus-Kontrollregionen nur transfizierte Gene, die in chromosomale DNA integriert sind; sie beeinflussen die Expression von unintegrierten Plasmid-DNAs in transienten Assays nicht. Darüber hinaus scheinen Locus-Kontrollregionen, anstatt einzelne Promotoren zu beeinflussen, große Chromosomendomänen zu aktivieren, vermutlich indem sie weitreichende Veränderungen in der Chromatinstruktur induzieren.Die Trennung zwischen chromosomalen Domänen wird durch Grenzsequenzen oder Isolatorelemente aufrechterhalten, die verhindern, dass sich die Chromatinstruktur einer Domäne auf ihre Nachbarn ausbreitet. Darüber hinaus wirken Isolatoren als Barrieren, die verhindern, dass Enhancer in einer Domäne auf Promotoren in einer benachbarten Domäne einwirken. Wie Locus-Kontrollregionen funktionieren Isolatoren nur im Kontext der chromosomalen DNA, was darauf hindeutet, dass sie die Chromatinstruktur höherer Ordnung regulieren. Obwohl die Wirkungsmechanismen von Lokuskontrollregionen und Isolatoren noch nicht geklärt sind, weisen ihre Funktionen eindeutig auf die Bedeutung der Chromatinorganisation höherer Ordnung bei der Kontrolle der eukaryotischen Genexpression hin.