Chromosomen
Die DNA liegt normalerweise in der Zelle nicht als Doppelhelix vor,
sondern ist in Form der Chromosomen dicht gepackt. In den Bakterien
ist die DNA zu einem dem Chromatin homologen Nukleoid verpackt.
Der Komprimierungsgrad der DNA lässt sich durch das Packungsverhältnis
beschreiben. Das Packungsverhältnis drückt die Relation zwischen der
eigentlichen DNA-Länge und der Länge des Bereichs, der die DNA enthält
aus.
Im Gegensatz zu den Eukaryonten, bei denen die Grösse des Genoms
praktisch beliebig ist, ist ein Virus darauf angewiesen, die immer
gleiche DNA so zu packen, dass sie in das von seinen Proteinen
codierte Capsid passt.
Das Capsid kann auf zwei unterschiedliche Arten aufgebaut werden. In
einem Fall wird das Capsid um die DNA herum aufgebaut, im anderen
bildet sich zuerst die Hülle und schleust dann die DNA ein.
Beim Tabak-Mosaik-Virus ist das erste der beiden Prinzipien
umgesetzt. Der Capsid wird um die RNA herum aufgebaut, wodurch diese
eine helikale Form annimmt. Start des Zusammenbaus ist das
Nukleationszentrum, eine doppelsträngige Haarnadelstruktur.
Beim Lambda- und bei dem T4-Phagen wird erst das Capsid in Form eines
Isooctaeders aufgebaut und dann das doppelsträngige Genom
eingeschleust. Der Capsid verändert darauf hin seine Form und wird zum
fertigen Virus.
Die dabei stattfindenden Reaktionen der Translokation und der
Kondensation sind beide energetisch ungünstig und verbraucht ATP. Der
Mechanismus der Kondensation ist bisher noch nicht genau geklärt.
Bei Bakterien ist die DNA zu einem Nukleoid verpackt. Dabei scheinen
Proteine, die den chromosomalen Proteinen ähneln eine Rolle zu
spielen.
Man hat herausgefunden, das die unterschiedlichen an diesen Prozessen
beteiligten Proteine redundant sind und sich gegenseitig ersetzen
können.
Man kann durch Ethidiumbromid zeigen, dass die DNA in dem Nukleotid in
einer Ringform vorliegt. Dadurch, dass sich die Substanz in die DNA
einlagert, erzeugt sie eine positive Überspiralisierung; wäre das
Molekül offen, könnte sich diese Spannung abbauen. Auch wenn man
Einzelstrangbrüche einführt, kann man diese Wirkung von Etidiumbromid
betrachten. Dies bedeutet, dass das Genom in Domänen unterteilt ist,
die nicht frei rotieren können. Diese Domänen könnten es erlauben,
dass in unterschiedlichen Bereichen unterschieldiche Grade an
Überspiralisierung vorherrschen.
Man vermutet, dass die DNA bei E. coli auch in vivo in einer
überspiralisierten Form vorliegt.
Bei Eukaryonten findet man bei dem Chromatin der Interfase ebenfalls
eine Überspiralisierung. Entfernt man die PRoteine zu einem grossen
Teil bleibt eine Struktur zurück, die hauptsächlich aus DNA besteht
und eine Art von Gerüst für die Proteine bildet und in den
Randbereichen deutliche Schleifen aufweist.
Die Struktur des Gerüstes ähnelt der Form der Chromosomen in der
Mitose.
Man kann zeigen, dass bestimmte Regionen der DNA mit der Kernmatrix
assoziiert sind. Dies Punkte werden MAR (matrix attached region)
genannt. Man nimmt an, dass diese Punkte während der Mitose mit dem
Chromosomengerüst verbunden sind. Es könnte sein, dass der Kontakt in
beiden Fällen von der Topoisomerase II vermittelt wird. Die
MAR-Sequenzen sind erstaunlicherweise nur sehr schlecht
konserviert. Sie bestehen zwar zu 70% aus AT; eine Consensussequenz
gibt es allerdings nicht.
In der Mitose wird das Chromosom enger gepackt. Nur in dieser
Zeitspanne werden die Chromosomen einzeln sichtbar. Man unterscheidet
das dicht gepackte Heterochromatin von dem Euchrimatin, in dem die
Fäden deutlich weniger dicht gepackt sind. Die beiden Zustände sind
unterschiedliche Kondensationsgrade des gleichen Materials. Die
Transkriptionsaktivitäten in dem dicht gepackten Bereich sind deutlich
geringer als in dem Bereich des Euchromatins. Bei den mitotischen
Chromosomen
Das Heterochromatin wird in keinem Fall transkribiert; allerdings kann
man es in zwei Arten unterteilen: Das konstitutive Chromatin besteht
aus nicht exprimierten Bereichen wie den Satelliten-DNAs, das
fakultative Heterochromatin ist in einer Zelle inaktiviert, wird in
anderen jedoch exprimiert. Ein Beispiel hierfür ist z.B. die
X-Inaktivierung.
Die Inaktivierung ist durch das Heterochromatin verusacht; umgekehrt
ist es hingegen für die Expression notwendig aber nicht ausreichend,
dass die Struktur als Euchromatin vorliegt.
Nach der Behandlung mit einer bestimmten Färbemethode kann man in den
Chromosomen bestimmte G-Banden sichtbar machen. Diese Muster sind in
den Chromosomen reproduzierbar und können Translokationen sichtbar
machen.
In bestimmten Situationen kann man bei den gestreckten
Lampenbürstenchromosomen die Genexpression sichtbar machen. Diese
Chromosomenform bildet sich während der Meiose, die bei den Amphibien,
wo sie vor allem untersucht wurden mehrere Monate dauern kann. Diese
Chromosomen lassen sich unter dem Lichtmikroskop gut beobachten.
Ein anderes Untersuchungsobjekt sind die polytänen Chromosomen, die
bei Drosophila aus einr Folge von sichtbaren Banden bestehen, die sich
intensiv anfärben lassen.
In diesem Stadium lagern sich die Chromosomen so zusammen, wobei sich
di nach der Replikation entstenden Chromosomen nicht trennen, so dass eine
gestreckte Form der Chromosomen mit einem Packungsverhältnis von
ca. 20 entsteht.
Bei einer Deletion, einer Insertion oder ähnlichem verändert sich das
ansonsten für eine Drosophilaart typische Bandenmuster. Die Banden
bilden eine cytologische Karte der Chromosomen. Die Position einzelner
Gene innerhalb des Chromosoms lässt sich durch eine in situ -
Hybridisierung feststellen. In einigen Bereichen dieser Chromosomen
kann man sogenannte Puffs sichtbar machen. In diesen Bereichen ist das
Chromatin aus dem dichten Packungszustand freigesetzt und dies sind
auch die Bereiche, in denen die RNA-Synthese stattfindet.
Die Erkenntnisse, die man aus den Untersuchungen an den Lampenbüsten-
und die Polytän-Chromosomen gewinnt besagen, dass das genetische
Material für die Trasnkription aus seinem dicht gepackten Zustand
befreit wird.
Während der Mitose heften sich die Chromosomen mit ihrem Centromer an
die MT. Der Centromer hält die Chromosomen zusammen und bildet die
Verbindung zu den MT. Ein Fragment ohne Centromer wird von der Mitose
ausgeschlossen.
Das Centromer ist eine dicht gepackte und von Satellitensequenzen
eingerahmte Struktur, die sich mit Hilfe der C-Bänderung sichtbar
machen lässt.
Im Bereich des Centromers findet man auch ein dunkel einfärbbares
Objekt mit einem Durchmesser von 400 nm - den Kinetochor. Diese
Struktur bildet sich an einer bestimmten DNA-Sequenz und verbindet
sich mit den MT.
Durch Versuche an Hefe konnte man Elemente finden, die in der Lage
waren, die Verteilung eines künstlichen Chromosoms auf die Zellen zu
steuern. Diese Sequenzen nannte man CEN. Sie dient dazu, das Chromosom
an der Spindel zu befestigen, spielt jedoch keine Rolle bei der
Identifikation der Chromosomen.
An den Enden der Chromosomen werden Telomere angebracht. Sie
stabilisiert das lineare Chromosom und verhindert, dass es mit seinen
Enden an einem anderen Chrmosom ,,kleben`` bleibt.
Man konnte die dafür verantwortlichen Strukturen identifizieren, indem
man sie an einer linearen Sequenz anbrachte und deren Stabilität in
Hefe beurteilte. Die Sequenz bei der Hefe ist TTGGGG.
Das Enzym Telomerase bringt die Sequenzen an den Enden der Chromosomen
an. Es enthält eine kurze RNA-Komponente, die komplementär zur
Wiederholungssequenz ist. Mittels der 3'-DNA als Primer und dieser
RNA-Sequenz als komplementäre Sequenz bringt sie - analog der
Reversen Transkriptase - die Telomere an. Man nimmt an, dass dieser
Strang durch die Interaktion der G-Reste ein Schleifenstruktur
ausbildet.
Dadurch, dass sich spezifische Proteine an die Telomere binden,
schützen sie die DNA vor ihrem Abbau.
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