Was Chromosomen zusammenhält – Max-Planck-Forscher klären Struktur von DNA-Verpackungsproteinen auf

Am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München haben Wissenschaftler jetzt den Aufbau eines ringförmigen Proteinkomplexes (SMC-Kleisin) entschlüsselt, der für Ordnung bei diesem Verpackungsvorgang sorgt. Gemeinsam mit ihren Kooperationspartnern des Korea Advanced Institute of Science and Technology untersuchten sie die Proteine in Bakterien und fanden dabei strukturelle Ähnlichkeiten mit dem menschlichen Komplex. Die Ergebnisse wurden jetzt im Fachjournal Nature Structural & Molecular Biology veröffentlicht.

In jeder Zelle müssen etwa zwei Meter DNA in einem Zellkern untergebracht werden, der nur einen Durchmesser von wenigen Tausendstel Millimetern hat. Die DNA ist darin in einzelnen Chromosomen organisiert, die als sehr lange Fäden vorliegen. Werden sie bei der Teilung der Zelle nicht gleichmäßig auf die Tochterzellen aufgeteilt, können Krebs oder Erbdefekte wie zum Beispiel Trisomie 21 entstehen. Um daher für einen sicheren Transport der DNA bei der Zellteilung zu sorgen, müssen die langen und verknäulten DNA-Fäden dicht verpackt werden.

Dieser Schritt ist bisher nur in groben Ansätzen verstanden. Eine Schlüsselrolle spielen hierbei die SMC-Kleisin-Proteinkomplexe, die aus zwei Proteinarmen (SMC) und einem Bindeglied (Kleisin) bestehen. Die Arme legen sich wie ein Ring um die DNA und können so verdoppelte Chromosomen oder zwei entfernte Teile desselben Chromosoms miteinander verknüpfen.

Von Bakterien lernen
Diese Methode der DNA-Verpackung nutzen auch einfache Organismen wie Bakterien. Wissenschaftler um Gruppenleiter Stephan Gruber konnten jetzt in Zusammenarbeit mit ihren Kollegen aus Südkorea den Aufbau eines Vorläufers der menschlichen SMC-Kleisin-Komplexe aus dem Bakterium Bacillus subtilis aufklären. Sie konnten zeigen, dass der bakterielle SMC-Kleisin-Komplex zwei Arme aus identischen SMC-Proteinen besitzt, die einen Ring bilden. Die Arme unterscheiden sich in ihrer Funktion erst durch die verschiedenen Enden des Kleisin-Proteins, mit dem sie verknüpft sind.

Auch im Menschen ist die DNA-Verpackungsmaschinerie ähnlich organisiert. „Wir vermuten, dass dieser asymmetrische Aufbau eine wichtige Rolle beim Öffnen und Schließen des Rings um die DNA spielt“, erklärt Frank Bürmann, Doktorand in der Gruppe „Chromosomale Organisation und Dynamik“. Die Wissenschaftler fanden zudem heraus, wie die Enden des Kleisins zwischen korrekten und falschen Bindungsstellen auf einem Armpaar unterscheiden können.

Der Zusammenhalt von Chromosomen ist auch bei der Fortpflanzung von entscheidender Bedeutung. In menschlichen Eizellen muss er über Jahrzehnte bestehen bleiben, damit die Reifeteilung der Eizelle fehlerfrei erfolgen kann. Versagt der Zusammenhalt, ist dies eine wahrscheinliche Ursache für Altersunfruchtbarkeit oder das Auftreten von Erbdefekten wie Trisomie 21. „Die Aufklärung der Struktur der SMC-Kleisin Proteinkomplexe ist ein wichtiger Meilenstein, um die komplizierte Organisation der Chromosomen zu verstehen“, sagt Stephan Gruber. [VS]