Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

„Stop and Go” auf der DNA – Physikalisches Modell analysiert die Verteilung der Nukleosomen

20.08.2010
Das Genom von Lebewesen mit Zellkern weist eine charakteristische Struktur auf: Die fadenförmige DNA wickelt sich sehr kompakt zu sogenannten Nukleosomen auf, die durch frei zugängliche DNA-Abschnitte verbunden sind – und damit etwa an aufgefädelte Perlen erinnern. Diese Struktur bestimmt entscheidend mit, welche Gene an- oder ausgeschaltet werden und damit auch, welche Proteine hergestellt werden.

Die beiden LMU-Biophysiker Professor Ulrich Gerland und Wolfram Möbius haben nun ein Modell entwickelt, mit dessen Hilfe sich die Verteilung der Nukleosomen um die strategisch wichtigen Startstellen der Transkription beschreiben lässt – die frei von Nukleosomen sein müssen.

Die Transkription bezeichnet die Abschrift der Gene, also den ersten Schritt in der Übertragung genetischer Information in Proteine. Dabei entdeckten die Wissenschaftler, dass sich auf beiden Seiten der nukleosomfreien Startstellen der Transkription unterschiedliche „Stopp“-Signale befinden, die die Bildung von Nukleosomen verhindern.

„Unser Modell könnte eine wichtige Hilfestellung bei der Entschlüsselung des sogenannten Chromatincodes sein, der dem Genom seine Struktur verleiht und bisher noch weitgehend unverstanden ist“, sagt Gerland. (PLoS Computational Biology, 19. August 2010)

Das Erbmaterial höherer Organismen liegt eng gepackt in den Kernen ihrer Zellen. Die fadenförmige DNA wickelt sich dabei auch zu sogenannten Nukleosomen auf. Deren Inneres besteht aus jeweils acht Histon-Proteinen, die – ähnlich einer Spule – von DNA umwickelt sind. Die Nukleosomen sind durch unverpackte DNA-Bereiche verbunden und erinnern dadurch an aufgefädelte Perlen. Die Nukleosomen bringen die DNA aber nicht nur in eine kompakte Form für die Verpackung in den Zellkern. „Sie beeinflussen auch, welche Bereiche des Erbmoleküls abgelesen und damit in Proteine übersetzt werden können“, erklärt Gerland vom Arnold Sommerfeld Center for Theoretical Physics (ASC) und dem Center for NanoScience (CeNS) an der Fakultät für Physik der LMU.

Die Zugänglichkeit der DNA ist ein wichtiger Aspekt der Genexpression und für die Forschung von großem Interesse. Ein Schwerpunkt ist dabei die Frage, wie die Nukleosomen um die Startregionen der Transkription verteilt sind. Denn an diesen Stellen beginnt das Ablesen der DNA, das ist der erste Schritt in der Übertragung genetischer Information in Proteine. An diesen Start- oder Promoter-Regionen wurde häufig ein typisches Muster beobachtet, bei dem eine nukleosomfreie Zone von Bereichen mit einer charakteristischen Verteilung von Nukleosomen umgeben ist. Die biologische Funktion dieser Lücken ist offenbar, der aus vielen Untereinheiten bestehenden molekularen Transkriptionsmaschinerie Andockstellen freizuhalten.

Zusammen mit dem Doktoranden Wolfram Möbius untersuchte Gerland nun, ob ein einfaches physikalisches Modell die Verteilung der Nukleosomen rund um eine Promoter-Region erklären kann. Die Forscher nutzten dafür das sogenannte Tonks-Modell, das die Wechselwirkung zwischen Gaspartikeln beschreibt, wenn sich diese nur in einer Dimension bewegen können. „Kennt man die Position eines Teilchens, kann man mithilfe des Modells die Positionen der anderen Teilchen vorhersagen“, sagt Wolfram Möbius, der Erstautor der Studie. „Zudem lassen sich charakteristische Oszillationen zwischen den Gaspartikeln beobachten.“ Die Analysen der beiden Forscher ergaben, dass das Tonks-Modell auch die Verteilung der Nukleosomen erstaunlich gut beschreiben kann.

„Wenn wir die Durchschnittswerte vieler verschiedener Promotor-Regionen einsetzen, gibt das Modell die nukleosomfreie Zone mit der typischen Schwankung der Nukleosom-Dichte auf beiden Seiten wieder“, berichtet Gerland. Das neue Modell stimmt am besten mit den Daten überein, wenn für beide Grenzregionen der nukleosomfreien Zone unterschiedliche Randbedingungen angenommen werden. „Auf der einen Seite – und zwar in Richtung der Transkription – muss es ein Nukleosom geben, das wie eine Art Straßenblockade die Lücke ohne Nukleosomen freihält“, meint Gerland. „Auf der anderen Seite, also gegen die Transkriptionsrichtung, muss dagegen ein breiter, gewissermaßen abstoßender Bereich vorliegen. Wie eine Art Verkehrsschild muss er signalisieren, dass sich hier keine Nukleosome bilden.“

Die Forscher konnten mit vorliegendem Ergebnis erstmals das Modell des amerikanischen Nobelpreisträgers Roger Kornberg quantitativ bestätigen, der 1974 die Nukleosomen entdeckte und später ein Modell für ihre statistische Verteilung im Genom entwickelte. Das neue Modell könnte wesentlich dazu beitragen, die Regeln zu verstehen, nach denen die Struktur der Chromosomen festgelegt wird. „Unsere Berechnungen könnten eine Hilfestellung bei der Dekodierung des sogenannten Chromatincodes sein, über den bisher noch wenig bekannt ist“, sagt Gerland. „In diesem Code ist festgelegt, wie das Genom seine dreidimensionale Struktur erhält.“ (CA)

Publikation:
„Quantitative test of the barrier nucleosome model for statistical positioning of nucleosomes up- and downstream of transcription start sites”;
Wolfram Möbius, Ulrich Gerland;
PLoS Computational Biology
19. August 2010
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Ulrich Gerland
Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München
Biological Physics and Quantitative Biology
Arnold Sommerfeld Center for Theoretical Physics
Tel.: 089 / 2180 – 4514
E-Mail: gerland@lmu.de

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wie Reize auf dem Weg ins Bewusstsein versickern
22.09.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Lebendiges Gewebe aus dem Drucker
22.09.2017 | Universitätsklinikum Freiburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie