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Forschung & Entwicklung

Zellkerndynamik messen

07.03.2013

Eine neue Messmethode verfolgt Wechselwirkungen zwischen Proteinen und DNA im Zellkern mit ms-Zeitauflösung. Damit konnte in lebenden Zellen die Bindung spezialisierter Proteinkomplexe gemessen werden. Diese verändern gezielt die 3D-Struktur der DNA und steuern so das Auslesen der Erbinformation.

Mikroskopbilder (schematisch) nach Fluoreszenz-Photobleichen. „Schatten“ stellen gebleichte Proteine dar, die sich während der Bilderfassung bewegten (Bild: F. Erdel & K. Rippe)

"Im menschlichen Genom sind die DNA-Stränge um bestimmte Verpackungsproteine (Histone) gewickelt. Zwischen diesen als Nukleosomen bezeichneten Komplexen befinden sich DNA-Bereiche, die frei von Histonen sind und die Nukleosomen wie in einer Perlenkette verbinden. Die Aktivierung eines Gens erfordert frei zugängliche DNA, andernfalls ist das Gen abgeschaltet. Die Positionen der Nukleosomen geben somit das Auslesemuster der DNA-Sequenz vor. Molekulare Maschinen, sogenannte Chromatin Remodeler, können unter Energieverbrauch Nukleosomen entlang der DNA-Kette verschieben. Dadurch etablieren sie Auslesemuster, die zusammen mit anderen Faktoren das aktive DNA-Programm der Zelle bestimmen.
Forschungsarbeiten unter Leitung von Dr. Karsten Rippe am BioQuant-Zentrum der Universität Heidelberg und am Deutschen Krebsforschungszentrum haben nun gezeigt, dass die Positionierung von Nukleosomen ein genau geregelter molekularer Prozess ist. Eine Fehlregulation kann mit verschiedenen Krebsarten in Verbindung gebracht werden.
Die Wissenschaftler untersuchten mit Hilfe von Fluoreszenzmikroskopie, wie die Chromatin Remodeler das Auslesen der Erbinformation steuern. Dabei konnten sie messen, dass in einer menschlichen Zelle die meisten der rund eine Million Chromatin Remodeler immer wieder nur kurz an ein Nukleosom binden, um zu testen, ob alle rund 30 Millionen Nukleosomen in der richtigen Position sind. Die neue Messmethode gibt Aufschluss über die Funktionalität dieser molekularen Maschinen. Kurze Bindungsereignisse mussten mit einer Auflösung von 1 ms aufgezeichnet werden, während gleichzeitig auch die selten auftretenden Reaktionen mit einer Bindungszeit von mehreren Sekunden oder gar Minuten nachzuweisen waren.
Erdel entstand dafür die Methode 3PEA (Pixelwise Photobleaching Profile Evolution Analysis), die für Messungen in lebenden Zellen eingesetzt werden kann. In seinen Experimenten brachte Erdel die künstliche Fluoreszenzmarkierung der Chromatin Remodeler durch Laserbestrahlung zum Erlöschen. Dabei beobachtete er, dass durch die so gebleichten Proteine ein Schatten entstand, wenn sie sich während der Aufzeichnung des Bildes bewegten. Die Form dieses Schattens hing davon ab, wie stark die Bewegung der Chromatin Remodeler durch Bindung an Nukleosomen verlangsamt wurde.
Mithilfe von 3PEA-Messungen haben die Forscher gezeigt, dass sich ein einzelner Chromatin Remodeler innerhalb nur einer Sekunde fast durch den gesamten Zellkern bewegt und dabei über 300?Nukleosomen testet – meistens ohne aktiv zu werden. Nur manchmal bindet die molekulare Maschine für einige Sekunden oder sogar Minuten an ein Nukleosom, um es dann auf der DNA zu verschieben.
In einem nächsten Schritt wollen die Forscher die Signale entziffern, die die Chromatin Remodeler an bestimmten Stellen des Genoms aktivieren."

BioPhotonik B1/2013

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