Wie ein Protein unsere DNA verpackt Das Leben in Schleifchen geschnürt

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Aus den vier Metern Erbgut in jeder Zelle falten Proteine kompakte, wenige Mikrometer große Bündel aus DNA. Wie ihnen dieses Zusammenschnüren zu Chromosomen gelingt, haben nun Forscher aus Heidelberg und Würzburg im Detail gezeigt.

Heidelberg, Würzburg – Die Zellen des Menschen vollbringen eine technische Höchstleistung, wenn es darum geht, Informationen auf kleinstem Raum unterzubringen. Jedes Mal, wenn sich eine Zelle teilt, bündelt sie die vier Meter lange DNA in 46 winzige Pakete, von denen jedes nur einige Mikrometer lang ist. Forschungsgruppen des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie EMBL Heidelberg und der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) haben nun herausgefunden, wie es einer Familie von DNA-Motorproteinen gelingt, bei der Zellteilung lose angeordnete DNA-Stränge zu kompakten einzelnen Chromosomen zu verpacken.

Condensin formt Schleifen aus DNA

Die Forscher untersuchten den Proteinkomplex Condensin, der für die Chromosomenbildung entscheidend ist. Obwohl dieser Komplex bereits vor mehr als drei Jahrzehnten entdeckt wurde, blieb seine Wirkungsweise lange Zeit unerforscht. Erst im Jahr 2018 zeigten Christian Häring und sein Team am EMBL Heidelberg, dass Condensin-Moleküle DNA-Schleifen formen – das war eine mögliche Erklärung für die Bildung der Chromosomen. Der Mechanismus, mit dem der Proteinkomplex dieses Kunststück vollbringt, blieb jedoch weiterhin unbekannt.

„Wir arbeiten schon seit langem an diesem Problem. Aber erst jetzt, durch die Kombination verschiedener experimenteller Ansätze, haben wir eine Antwort gefunden“, sagt Häring. Der ehemalige Gruppenleiter am EMBL Heidelberg ist inzwischen Professor am Biozentrum der JMU. Hier leitet er den Lehrstuhl für Biochemie und Zellbiologie. Die Mitglieder der Motorprotein-Klasse, zu der Condensin gehört, sind vermutlich essenziell für alles Leben auf der Erde, wie der Forscher erklärt. „Es ist offensichtlich, dass wir gerade erst anfangen zu verstehen, welche Rolle sie spielen und wie sie in den Zellen des Menschen beeinflusst werden könnten.“

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Wie ein Rennwagen mit der Energieeffizienz eines E-Bikes

In ihren Experimenten haben die Wissenschaftler u. a. einzelne Condensin-Moleküle beobachtet und manipuliert, während sie DNA-Schleifen formten. So kam heraus, wie verschiedene Teile des Komplexes gemeinsam als molekulare Maschine wirken:

• Ein Teil hält die DNA wie ein Anker fest,

• während der andere als Motor fungiert, der die DNA vorwärtsbewegt und so eine lange Schleife erzeugt.

Die Falttechnik des Motorproteins Condensin zeigt die Animation in diesem Video des European Molecular Biology Laboratory (EMBL):

Wie andere Motorproteine bewegt sich Condensin in „Schritten“ entlang der DNA und verbrennt dabei zelluläre Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP). Allerdings sind diese Schritte mehr als 500 Mal länger als die anderer DNA-Motorproteine, obwohl der Energieaufwand in etwa derselbe ist. „Das ist wie ein Formel-1-Rennwagen mit der Energieeffizienz eines E-Bikes“, sagt Indra Shaltiel. Der JMU-Forscher ist der Erstautor der Studie, die jetzt im Journal Science publiziert wurde.

Andere Prozesse im Erbgut laufen ähnlich ab

Entscheidend für die Untersuchung des Motorproteins waren die Fortschritte in der Kryo-Elektronenmikroskopie. Sie ermöglichten es den Forschern, den komplexen Mechanismus in noch nie dagewesener Genauigkeit sichtbar machen. „Wir konnten Condensin in Aktion sehen und die molekulare Choreografie erkennen, mit der ATP seine Motoraktivität antreibt – ein wichtiger Schritt zum Verständnis der DNA-Schleifenbildung“, sagt Seniorautor Sebastian Eustermann, Gruppenleiter am EMBL Heidelberg.

Ähnliche Schleifen und verwandte molekulare Maschinen wurden in verschiedenen genomischen Prozessen nachgewiesen, u. a. bei der Steuerung des Ein- und Ausschaltens von Genen zwischen Zellteilungen. „Daher könnten unsere Ergebnisse noch weitreichendere Auswirkungen haben“, meint der Wissenschaftler.

Originalpublikation: Shaltiel I., et al. A hold-and-feed mechanism drives directional DNA loop extrusion by condensin, Science, 2. Juni 2022, Vol 376, Issue 6597, pp. 1087-1094, DOI: 10.1126/science.abm4012

* S. Gosh, EMBL Heidelberg, 69117 Heidelberg

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