Überblick

Eukaryoten haben im Vergleich zu Prokaryoten größere Genome. Damit ihr Genom in eine Zelle passt, müssen Eukaryoten ihre DNA dicht im Zellkern verpacken. Dazu wird die DNA um Proteine gewickelt, die man Histone nennt. Daraus bilden sich Nukleosomen, welche die gepackte DNA bilden. Die Nukleosomen wickeln sich dann zu kompakten Fasern, die als Chromatin bekannt sind.

Ein Mensch besitzt so viel DNA, dass sie hunderte Male zur Sonne und zurück reicht

Die meisten Zellen im menschlichen Körper enthalten etwa 3 Milliarden Basenpaare DNA, die in 23 Chromosomenpaare verpackt sind. Es ist schwer vorstellbar, wie viel DNA diese Zahlen genau repräsentieren. Wie oft muss das Material eigentlich verwickelt werden, damit das Genom in eine Zelle passt?

Wir können uns dies verdeutlichen, indem wir das Genom der Länge nach darstellen. Würden wir die DNA einer einzelnen menschlichen Zelle in einer geraden Linie anordnen, wäre sie zwei Meter (6,5 Fuß). Der menschliche Körper enthält etwa 50 Billionen Zellen. Das bedeutet, dass jeder Mensch insgesamt etwa 100 Milliarden Meter an DNA besitzt. Mit anderen Worten hat jeder Mensch genug DNA, damit sie 300 Mal von der Erde zur Sonne reicht!

Der Mensch hat jedoch keine besonders großen Genome. Die von vielen Fischen, Amphibien und blühenden Pflanzen sind viel größer. Zum Beispiel ist das Genom der Blütenpflanze Paris japonica 25-mal größer als das menschliche diploide Genom. Diese Zahlen verdeutlichen die erstaunliche Aufgabe, die Eukaryoten erfüllen müssen, um ihre DNA in Zellen zu verpacken.

Die Nukleosomen sind zentrale Akteure in der DNA-Verpackung

Jedes Nukleosom besteht aus DNA, die um einen Core mit acht Histon-Proteinen gewickelt ist. Jeder Core besteht aus vier verschiedenen Typen von Histonen - H2A, H2B, H3 und H4 - die jeweils in zwei Kopien vorliegen. Ein anderer Typ von Histonen - H1 - bindet sowohl an das Nukleosom als auch an die DNA und stabilisiert die Struktur.

Die DNA wird kompakter, da sich Nukleosomen und die DNA zu Chromatinfasern winden. Unkondensierte Chromatinfasern, oder Euchromatin, haben einen Durchmesser von ca. 10 nm. Nukleosomen ähneln in diesen Fasern Perlen auf einer Schnur. Während die DNA weiter kondensiert, wickeln sich die 10-nm-Fasern zu ca. 30 nm dicken Strängen, die wiederum Schleifen bilden, aus denen 300 nm dicke Fasern entstehen. Wenn das Chromatin vollständig verdichtet ist, wird es als Heterochromatin bezeichnet.

Die locker gepackte Struktur des Euchromatins ermöglicht Enzymen, wie z.B. der RNA-Polymerase, den Zugang zur DNA. Die Transkription findet daher vorwiegend in den euchromatischen Regionen des Genoms statt, die reich an Genen sind. Die dicht gepackte Struktur des Heterochromatins blockiert dagegen den Zugang zur DNA und verhindert so die Transkription. Das Heterochromatin dominiert in den Zentromeren und Telomeren der Chromosomen, wo hochrepetitive DNA-Sequenzen wesentlich häufiger vorkommen als Gene. Darüber hinaus können Organismen die Dichte der DNA-Packung als Reaktion auf zelluläre und externe Umwelteinflüsse dynamisch anpassen, indem sie die DNA dekondensieren, wenn Gene eingeschaltet werden müssen, und sie erneut kondensieren, um sie abzuschalten.