in Scientia Halensis

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scientia halensis 4/2002
Fachbereich Biologie
GENSILENCING UND DIE ANALYSE VON
REGULATIONSPROZESSEN IM CHROMATIN
Gunter Reuter, Rainer Dorn, Gunnar Schotta, Anja Ebert, Kathrin Naumann,
Andreas Fischer und Thomas Rudolph
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Genetische Information wird auf engstem Raum verpackt. Bei mehreren Organismen wurde
in den letzten Jahren die DNA-Sequenz des Genoms ermittelt. Hierzu gehören z. B. die im Drosophila-Modell beeinflussen, kön-
in Genen, die ein Silencing des white-Gens
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Taufliege Drosophila melanogaster, die Maus, die Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana nen leicht erkannt werden. Die Tiere haben
und auch der Mensch. Dadurch konnte die Zahl der Gene dieser Organismen genauer vorher
dann normal rote statt weiß-rot gefleckte
gesagt werden.
Augen. Durch die Isolation und Charakteri-
sierung von mehr als 400 Mutationen
dichtere Verpackung der DNA durch Heterochromatisierung.
konnten wir etwa 150 neue Gene beschreizess
Ein vergleichbarer Proben,
die bei Drosophila Gensilencing kon-
wird auch beim Modellobjekt Drosophila
trollieren. Von diesen 150 Genen konnten
gefunden. Hier wird beobachtet, dass bisher etwa 20 in ihrer molekularen Wirtrollieren.
Gene still gelegt werden, wenn sie in unmittelbare
kung aufgeklärt werden. Unsere Arbeitshymatin
Nachbarschaft von Heterochropothese
hat sich bestätigt. Die Produkte
verlagert werden (Abb. 1). Im Mo- dieser Gene haben wichtige Funktionen bei
Der Mensch besitzt etwa 40 000 Gene, die
auf DNA-Molekülen mit einer Gesamtlänge
von ca. 1m untergebracht sind. Im Kern
einer diploiden menschlichen Zelle sind 46
Chromosomen vorhanden. Da diese nur
wenige Mikrometer groß sind, ergibt sich
die Notwendigkeit einer extrem dichten
Verpackung der DNA. Zugleich muss aber
die Regulierbarkeit und Aktivität der Gene
gewährleistet sein. Die Verpackung der
DNA erfolgt über mehrere, hierarchisch
aufeinanderfolgende Stufen. Das Nukleosom
bildet bei allen Eukaryoten die Grundeinheit
und enthält jeweils zwei Moleküle
der Histonproteine H2A, H2B, H3 und
H4. Die DNA bindet an dieses Proteinoktamer,
indem sie in ca. 1,75 Windungen
herumgewickelt wird. Anschließend bindet
ein weiteres Histon (H1) jeweils zwei benachbarte
Nukleosomen und führt so zu einer
zusätzlichen Verdichtung. Höhergeordnete
Schleifenstrukturen dieser Nukleosomenkette
bewirken die weitere Kondensation.
Die maximale Verpackung wird während
der Zellteilung erreicht, wenn die
Chromosomen sichtbar werden. Demgegenüber
müssen die Chromosomen für die
Realisierung der genetischen Information
(Ablesen der Gene) so dekondensiert werden,
dass eine Zugänglichkeit durch die dafür
notwendigen Werkzeuge möglich ist.
Die damit verbundenen Prozesse, welche
vor allem höhergeordnete Strukturen kontrollieren,
sind noch weitgehend unbekannt.
Die Aufklärung der Kontrolle dieser
Verpackungsstrukturen ist ein Schwerpunkt
unserer Arbeiten.
Viele Gene müssen in der Entwicklung
stillgelegt werden:
Mann und Frau unterscheiden sich in der
Zahl der X-Chromosomen. Männer haben
nur ein X-, während Frauen zwei X-Chromosomen
besitzen. Frauen haben somit die
doppelte Anzahl X-chromosomaler Gene
und würden damit auch die doppelte Menge
an entsprechenden Genprodukten bilden,
wenn nicht eine Korrektur erfolgt.
Diese besteht darin, dass alle Gene auf einem
der beiden X-Chromosomen total
stillgelegt werden. Dieser Prozess wird
Gensilencing genannt und erfolgt über eine
Abb. 1: Silencing des white-Gens bei Drosophila. (a) Die Verlagerung des white-Gens ans Heterochromatin
führt zur (b) Inaktivierung des white-Gens durch Gensilencing im Drosophila-Auge
(weiße Facetten)
dellsystem betrifft dies das white-Gen,
welches für die rote Augenfarbe wichtig
ist. Durch diese Verlagerung kommt es sehr
häufig zu einer Stillegung des white-Gens
durch Heterochromatisierung. Aufgrund
der Struktur des Komplexauges (bestehend
aus ca. 800 Einzelaugen/Facetten) bei Drosophila
kann in jeder Facette die Aktivität
(rot) oder Inaktivität (weiß) des white-
Gens erkannt werden. Sichtbar wird dies
durch rote bzw. weiße Flecken im Auge. Es
handelt sich hierbei um ein System von
Gensilencing, das mit der X-Heterochromatisierung
beim Menschen vergleichbar
ist.
Drosophila besitzt viele Vorteile für den
Experimentator. Die Entwicklung vom Ei
bis zum Imago dauert nur zwölf Tage. Ein
Weibchen bringt mehr als 500 Nachkommen
hervor. Für genetische Analysen werden
oft sehr umfangreiche Nachkommenschaften
benötigt; bei bestimmten Experimenten
waren mehr als 1 Million Tiere
notwendig. Solche Untersuchungen, die zudem
noch materiell sehr kostengünstig
durchgeführt werden können, sind nur bei
Drosophila möglich.
Mutanten und Kontrollgene
für Gensilencing:
Zunächst haben wir Mutationen isoliert,
die zu einer Unterdrückung oder Verstärkung
von Gensilencing führen. Mutationen
der Verpackung der DNA im Chromosom
und kontrollieren zugleich den Prozess des
Gensilencing.
Gensilencing bei Fliege und Mensch erfolgt
nach gleichem Mechanismus:
Eines der von uns identifizierten Gene haben
wir Su(var)3-9 genannt, weil es die
veränderliche Ausprägung des white-Gens
unterdrückt (Suppressor of variegation),
auf dem 3. Chromosom liegt und die Nummer
9 bekommen hat. Inzwischen hat sich
herausgestellt, dass der zufällig gewählte
Name eigentlich schon die Funktion widerspiegelt.
Jahre später wurde gefunden, dass
das von diesem Gen gebildete Protein als
Histon H3/Lysin9-Methyltransferase
funktioniert. Es bindet an Heterochromatin
(Abb. 2) und führt hier zur Methylierung
der Aminosäure Lysin 9 im Histon H3.
Dies bewirkt, dass DNA viel dichter verpackt
wird und Gene stillgelegt werden.
Die Frage, ob das Su(var)3-9-Gen auch
beim Menschen vorkommt, konnte durch
einen Vergleich mit der DNA-Sequenz des
Menschen beantwortet werden. Die Übereinstimmung
in der Aminosäuresequenz
zwischen dem Drosophila SU(VAR)3-9-
Protein und dem menschlichen SUV39H1-
Protein ist mit etwa 70 Prozent sehr hoch.
Die Gruppe von Professor Dr. Jenuwein
am IMP in Wien, mit der wir eng kooperieren,
konnte zeigen, dass auch beim Men-