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Wenn jedes Lichtquant zählt - Ungewöhnliche Zellkerne lassen Nachttiere besser sehen

17.04.2009
Augen nachtaktiver Säugetiere verfügen über besonders viele hochempfindliche Stäbchen-Fotorezeptoren. Das ist der für das Nachtsehen zuständige Sehzelltyp. Schließlich müssen sie Licht wahrnehmen, dessen Intensität millionenfach unter der des Tageslichts liegt.

Ein internationales Team um die LMU-Forscher Dr. Boris Joffe, Dr. Irina Solovei und Professor Thomas Cremer konnte nun zeigen, dass sich der nächtliche Lebensstil und die damit verbundenen Herausforderungen dauerhaft auf die Organisation der Zellkerne in den Stäbchen ausgewirkt haben: Dicht gepackte inaktive und weniger dicht gepackte aktive Bereiche des Erbmoleküls DNA sind anders verteilt als bei den übrigen Körperzellen fast aller Organismen vom Einzeller bis zum Vielzeller - einschließlich der Stäbchen tagaktiver Säuger.

"Es gibt auch eine Erklärung für diese Abweichung", sagt Joffe. "Die Zellkerne der nachtaktiven Säuger fungieren in dieser speziellen Anordnung als Sammellinsen, die das eintreffende Licht bündeln. Computersimulationen zeigen, dass mehrere solcher Zellkerne übereinander das Licht sehr effektiv zu den lichtsensitiven Außensegmenten der Stäbchen lenken. Die veränderte Organisation der Stäbchen-Zellkerne verbessert also das nächtliche Sehen der Tiere - und liefert neue Erkenntnisse zur Evolution der Retina bei Säugetieren und zum Verständnis der räumlichen Organisation des Zellkerns." (Cell, 17. April 2009)

Zellkerne als Verpackungskünstler: Das Erbmolekül DNA einer diploiden Säugerzelle ist zwei Meter lang, muss aber in den nur wenige Mikrometer großen Zellkern passen. Die fadenförmigen Moleküle des Erbmaterials sind mit Proteinen als sogenanntes Chromatin verpackt. Dabei sind DNA-Abschnitte, deren genetische Information gerade benötigt wird, weniger eng gepackt und besser zugänglich. Dieses sogenannte Euchromatin befindet sich typischerweise in inneren Bereichen des Zellkerns. Ein erheblicher Teil des Heterochromatins mit den "nicht benötigten" DNA-Bereichen liegt dagegen an der Peripherie des Zellkerns. Diese Art der Organisation hat sich im Lauf der letzten 500 Millionen Jahre bei fast ausnahmslos allen höheren Organismen etabliert.

"Diese Anordnung ist so universell, dass man von der 'konventionellen Architektur' des Zellkerns sprechen kann", meint Dr. Boris Joffe vom Biozentrum der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München. "Umso überraschender ist die jetzige Erkenntnis, dass es doch prinzipielle Unterschiede bei der Anordnung gibt - und dass diese von der Lebensweise abhängen." Ein interdisziplinäres Team von Forschern der LMU, des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung in Frankfurt und des Cavendish Laboratory in Cambridge konnte zeigen, dass bei nachtaktiven Säugetieren die Anordnung des Chromatins in den Stäbchenkernen genau umgekehrt ist: Das dicht gepackte Heterochromatin befindet sich im Zellkern-Inneren, während das weniger dicht gepackte Euchromatin mit den aktiven DNA-Bereichen an der Peripherie liegt.

Die Erklärung für die ungewöhnliche Architektur dieser Zellkerne liegt in der Biologie der Sinneswahrnehmung. Beim Menschen und bei allen anderen Wirbeltieren muss das Licht erst die Netzhaut, die Retina, durchdringen, um auf die lichtempfindlichen äußeren Teile der Fotorezeptoren zu stoßen. Und hier stehen die nachtaktiven Tiere vor einem Dilemma: Sie brauchen besonders viele Stäbchen zur Detektion des schwachen Lichts, wodurch aber ihre Retina dicker wird und mehr Licht durch Streuung verliert, bevor es die Außensegmente der Fotorezeptoren erreicht. Zur Lösung des Problems machte sich die Evolution eine physikalische Besonderheit des dicht gepackten Heterochromatins zunutze.

Wegen seiner höheren Packungsdichte wirkt Heterochromatin stärker lichtbrechend als Euchromatin. Dieser Effekt kommt nicht zum Tragen, wenn das Heterochromatin in der Peripherie des Zellkerns liegt. Wenn es sich dagegen im Inneren des Zellkerns zusammenballt, wirkt das Heterochromatin wie eine winzige Sammellinse. Weil die Stäbchenkerne in Säulen angeordnet sind, kommen mehrere dieser Mikrolinsen übereinander zu liegen. Das an sich wenig intensive Licht wird so - das zeigen Computersimulationen - fast ohne Streuverluste gebündelt und durch die Retina geleitet, es trifft fokussierter auf die lichtempfindlichen Außensegmente der Fotorezeptoren.

Die ungewöhnliche Architektur der Stäbchen-Zellkerne liefert zudem neue Erkenntnisse zur frühen Evolution der Säugetiere. Denn die besondere Anordnung des genetischen Materials muss schon vor mehr als hundert Millionen Jahren erstmals aufgetreten sein. Zu dieser Zeit haben sich die Vorfahren der heutigen Säugetiere an ein nachtaktives Leben angepasst, um den damals dominanten fleischfressenden Reptilien zu entgehen. Während die nachtaktiven Nachfahren die invertierte Architektur der Stäbchenkerne beibehalten haben, kehrten später tagaktiv gewordene Nachfahren - auch wir Menschen - zur konventionellen Organisation zurück.

"Das bestätigt uns die Überlegenheit der konventionellen Kernarchitektur", so Joffe. "Die von uns gefundene invertierte Zellkernorganisation bringt offensichtlich noch unbekannte Nachteile mit sich. Eine mögliche Erklärung besteht darin, dass die konventionelle Architektur es für Chromosomen leichter macht, die aktiven Kernbereiche gemeinsam zu nutzen. Aber bei den nachtaktiven Säugetieren scheint der Vorteil verbesserter Nachtsicht überwogen zu haben" (suwe)

Publikation:
"Nuclear architecture of rod photoreceptor cells adapts to vision in mammalian evolution",
Irina Solovei, Moritz Kreysing, Christian Lanctot, Süleyman Kösem, Leo Peichl, Thomas Cremer, Jochen Guck, Boris Joffe,

Cell, 17. April 2009

Ansprechpartner:
Professor Dr. Thomas Cremer
Biozentrum der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München
Tel.: 089 / 2180 - 74329
Fax: 089 / 2180 - 74331
E-Mail: thomas.cremer@lrz.uni-muenchen.de
Dr. Boris Joffe
Biozentrum der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München
Tel.: 089 / 2180 - 74332
Fax: 089 / 2180 - 74331
E-Mail: boris.joffe@lrz.uni-muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de

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