Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology


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Chromatin

 

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I. Einleitung

II. Das Nukleosom

III. Histon Proteine

III.1. Core-Histone

III.2. Linker-Histone

IV. Stufen des Chromatin-Aufbaus

V. Aktivierende Chromatin-Faktoren

V.1. Histonbindende Faktoren

V.2. Chromatin Remodeling und Histon-modifizierende Faktoren

VI. Die Organisation des Genoms im Zellkern

Englisch
Französisch
Spanisch

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I. Einleitung

In eukaryotischen Zellen ist das genetische Material in einer komplexen Struktur organisiert, die aus DNA und Proteinen besteht und in einem spezialisierten Kompartiment, dem Nukleus, lokalisiert. Diese Struktur wird Chromatin genannt (aus dem griechischen: „khroma“ heißt gefärbt und „soma“ Körper). Nahezu 2 Meter DNA muß in jeder Zelle verpackt werden, um im kleinen Nukleus von einigen µm Durchmesser Platz zu finden. Trotz dieses enormen Grad an Verpackung muß die DNA schnell zugänglich sein damit Proteinmaschinen interagieren können um verschiede Funktionen zu erfüllen:

Die dynamische Struktur des Chromatins beeinflußt daher wahrscheinlich alle Funktionen des Genoms.

Das Chromatin wird unterteilt in:

Heterochromatin wird als Struktur definiert, die sich in ihrer Kondensation während des Zellzyklus nicht verändert, wohingegen das Euchromatin während der Interphase dekondensiert. Das Heterochromatin ist meistens in der Peripherie des Zellkerns lokalisiert, während das Euchromatin im Zentrum zu finden ist. Wir unterscheiden:

In diesem Übersichtsartikel wollen wir die Komponenten des Chromatins beschreiben und die verschiedenen Stufen seiner Organisation vom Nukleosom bis hin zu Domänen im Nukleus skizzieren. Wir diskutieren, wie die Veränderung der grundlegenden Bestandteile des Chromatins die Aktivität beeinflußt und wie Faktoren die Unterschiede in seiner dynamischen Struktur vermitteln. Zuletzt fassen wir zusammen, wie das Chromatin die Organisation des Genoms auf der Ebene des Nukleus beeinflußt.


II. Das Nukleosom

Der partielle Verdau von DNA, eingebettet im Chromatin, generiert Fragmente von Längen zwischen 180 und 200 Basenpaaren, die elektrophoretisch getrennt werden können. Diese regelmäßige Struktur des Chromatins wurde später durch elektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigt, die gleichmäßig angeordnete Partikel zeigten und entsprechend „Perlen auf einer Kette“ genannt wurden. Das Verhältnis der Stöchiometrie von Nukleosomen und DNA beträgt 1 zu 1, bezogen auf die Masse.

Das Nukleosom ist die fundamentale Einheit des Chromatins. Es besteht aus:

Das Core-Partikel ist hoch konserviert zwischen verschiedenen Spezies und besteht aus 146bp DNA, die 1,7-fach um ein Protein-Oktamer gewunden ist, das je zwei Core-Histone H3, H4, H2A und H2B enthält.

Die Länge der Linker-Region variiert zwischen Spezies und Zelltyp. Innerhalb dieser Region binden die in ihrer Sequenz variablen Linker-Histone. Daher kann die Länge der DNA in einem Nukleosom zwischen 160 und 241bp variieren.

Strukturanalysen ergaben, dass die DNA durch die Windung um das Oktamer stark verformt wird und dass die Core-Histone über sogenannte „Histon-Faltungsdomänen“ interagieren, die die Form zweier sich schüttelnder Hände hat.

Abb. 1. Darstellung der Chromatin-Grundeinheiten Nukleosom und Chromatosom.


III. Die Histon Proteine

IV. Stufen des Chromatin-Aufbaus

Der Aufbau von Chromatin auf DNA beeinhaltet eine Reihe von Vorgängen, die mit der Bildung der Grundeinheit des Nukleosoms beginnen und zu einer komplexen Organisation von spezifischen Domänen im Kern führen. Dieser stufenweise Aufbau ist schematisch in Abb. 3 gezeigt.

Bei jedem beschriebenen Schritt der Verpackung wird Variation in der Komposition und Aktivität des Chromatins durch Modifikation der Grundeinheiten und durch die Aktivität von Faktoren erzeugt, die den Prozess des Aufbaus und des Abbaus regulieren.

Abb. 3. Die Stufen des Chromatin-Aufbaus.
Die Zusammensetzung beginnt mit dem H3/H4 Tetramer (1) zu dem zwei H2A-H2B Dimere hinzukommen, um das Corepartikel zu bilden. Die neu synthetisierten Histone werden spezifisch modifiziert: Histon H4 wird an Lys5 und Lys12 acetyliert (H3-H4*). Zur Reifung wird ATP benötigt, um ein regelmäßiges Spacing zu etablieren, und die Histone werden deacetyliert (3). Die Inkorporation des Linker-Histons führt zur Bildung des Nukleofilaments. Das hier gezeigte Model zeigt die Solenoidstruktur in dem 6 Nukleosomen pro Umgang benötigt werden (4). Weitere Faltungsschritte führen zur definierten Domänenorganisation innerhalb des Kerns (5).

In den ersten Schritten des Chromatinaufbaus können die elementaren Partikel variieren:

All diese Variationen können zu Unterschieden in Strktur und Aktivität des Chromatins führen. Die vielen möglichen posttranslationalen Modifikationen der Histon-Termini sind in Abb. 2 zusammengestellt (wie z.B. Acetylierung, Phosphorylierung, Methylierung, Ubiquitinierung, polyA-Ribosylierung). Sie werden mit spezifischen biologischen Prozessen in Verbindung gebracht, die als hypothetische Sprache oder „Histon-Code“ bezeichnet wird (dabei handelt es sich um eine Arbeitshypothese!). Dieser Code wird durch andere Proteine gelesen, die eine Interpretation dieser Veränderungen ermöglichen. Die Inkorporation von Histonvarianten könnte wichtig bei der Spezifizierung von Chromatindomänen sein. So handelt es sich bei CENP-A um eine Histon H3-Variante, die mit inaktiven Zentromerregionen assoziiert ist und bei macro-H2A um eine Varinte, die mit dem inaktiven X-Chromosom bei weiblichen Säugern verbunden ist. Die Variante H2A-X ist bei der Bildung von Foci beteiligt, die DNA-Reparatur von Doppelstrangbrüchen durchführen. Weiterhin bestehen Hinweise, dass H2A.Z eine Funktion bei der Chromatinveränderung im Rahmen der Transkription hat.
Während der Reifungsschritte werden Linker-Histone und nicht-Histonproteine, sog. HMG (High Mobility Group) und andere DNA-bindende Proteine eingebaut und falten und regulieren die Struktur des Nukleofilaments. Daher haben die frühen Schritte im Chromatinaufbau einen großen Einfluß auf die Charakteristika der spezifischen Chromatindomänen.


V. Aktivierende Chromatin-Faktoren

VI. Die Organisation des Genoms im Zellkern

Die höheren Stufen der Chromatinkompaktierung sind nicht gut charakterisiert. Das Nukleofilament der 30nm Fiber ist weiter organisiert in Faltungen aus 150 bis 200 kb (250nm während der Interphase), was zu einer maximalen Kompaktierung während der Metaphase führt (850nm).

Das Chromatin während der Metaphase wurde in verschiedene Regionen eingeteilt, die sich auf ein spezifisches Bandenmuster beziehen. Die grundsätzlichen Banden sind:

Die Lokalisierung der Chromosomen in der Interphase zeigt, dass jedes Chromosom einen bestimmten Raum besetzt. In Säugern variiert die Organisation der Chromosomen in Abhängigkeit des Zelltyps. Während der Interphase sind die Regionen der Metaphase-Bandierung im Kern bezüglich ihres Replikationszeitpunktes lokalisiert:

Obwohl jedes Chromosom einen unterschiedlichen Bereich besetzt, können Teile verschiedener Chromosomen funktionelle Domänen bilden. Lokalisierungsuntersuchungen mittels FISH zeigen, dass Gene auf den Oberflächen der Chromosomen-Territorien liegen. In einem hypothetischen Model sind heterochromatische Proteine wie HP1, SIR3P/SIR4P und ATRX und Transkriptionsfaktoren wie IKAROS und Assembly-Faktoren wie CAF1 an der Etablierung und dem Erhalt von Kerndomänen beteiligt.

Tabelle: Überarbeitete Nomenklatur der HMG Proteine

Liste der Abkürzungen:
ATP: Adenosin Triphosphat
C-terminal: Carboxy-terminal
CAF1: Chromatin Assembly Factor 1
CENP-A: CENtromer Protein-A
HAT: Histon Acetyltransferase
HDAC: Histon Deacetylase
HMG: High Mobility Group
HP1: Heterochromatin Protein 1
N-terminal: Amino-terminal
PCNA: Proliferating Cell Nuclear Antigen
SWI/SNF: Mating type SWItching/Sucrose Non-Fermenting

Liste von Definitionen:
Chromatin: Träger der genetischen Information. Komplexe Struktur bestehend aus DNA und Proteinen mit Lokalisation im Zellkern.
Chromatin Remodelling Maschinen: Induzieren Konformationsänderungen von Nukleosomen oder Chromatindomänen unter Energieverbrauch in der Form von ATP.
Euchromatin: Chromatin, das in der Interphase dekondensiert vorliegt.
Fakultatives Heterochromatin: Besteht aus transkriptionell aktiven Regionen und hat strukturelle und funktionelle Charakteristiken von Heterochromatin.
G, C und R Bänder: Entsprechen der Organisation von Metaphasechromosomen.
Heterochromatin: Entspricht der kondensierten Form des Chromatins und ändert sich nicht während des Zellzyklus.
Histon Chaperone: Saure Faktoren, die Komplexe mit Histone bilden und den Prozeß der Nukleosomenzusammensetzung aktivieren, ohne Bestandteil des Produktes zu sein.
Histon-Code: Hypothese über eine Sprache, die Histonmodifikationen in spezifische biologische Aktivitäten übersetzt. Diese Modifikationen werden durch andere Proteine/Komplexe erkannt und interpretiert.
HMG: Nicht-Histon Proteine. DNA-bindende Proteine, die Nukleosomenabstände und Faltungen des Nukleofilamentes regulieren.
Nukleosom: Fundamentale Einheit des Chromatins. Es besteht aus DNA und Histonproteinen. Es stellt die erste Kompaktierungsstufe der DNA im Zellkern dar.

Ubersetzung : Stefan Nagel, DSMZ - Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen, Mascheroder Weg 1b 38124, Braunschweig, Germany


Contributor(s)

Written2002-04Patricia Ridgway, Christçle Maison, Genevièvee Almouzni
Institut Curie, Section de recherche, UMR218, 26, rue d'Ulm, 75231 Paris Cedex 05, France

© Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology
indexed on : Tue Mar 14 13:57:21 CET 2017


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