Programmierung von Zellen – Auf die Hülle kommt es an

Das fadenförmige Erbmolekül DNA liegt im Zellkern als dicht gepackter DNA-Protein-Komplex vor, der Chromatin genannt wird. Dabei sind aktive DNA-Abschnitte – das Euchromatin – weniger eng gepackt und besser zugänglich als inaktive.

Euchromatin befindet sich typischerweise in den inneren Bereichen des Zellkerns, während ein erheblicher Teil der inaktiven DNA-Bereiche – das Heterochromatin – an der Peripherie des Zellkerns liegt. Diese Art der Chromatin-Organisation hat sich im Lauf der letzten 500 Millionen Jahre bei fast allen höheren Organismen etabliert.

Mit einer Ausnahme: In den Sehzellen nachtaktiver Tiere ist das Heterochromatin in der Mitte des Zellkerns lokalisiert, wie die LMU-Biologen Dr. Boris Joffe und Dr. Irina Solovei bereits in einer früheren Studie zeigen konnten. „Uns interessierten nun die Mechanismen der Chromatinverteilung: Wie wird die Zellkernarchitektur in den Stäbchenzellen nachtaktiver Tiere quasi auf den Kopf gestellt und was sorgt in normalen Zellen dafür, dass stillgelegtes Chromatin am Zellkernrand positioniert wird?“, sagt Professor Heinrich Leonhardt vom Biozentrum der LMU, der diesen Fragen mit seinem Team in einer umfangreichen Studie auf den Grund ging.

Grundlegendes Prinzip entdeckt

Mit gezielten genetischen Veränderungen bei der Maus konnten Solovei und Joffe mit ihren Kollegen nun zum ersten Mal zeigen, dass es zwei unabhängige Mechanismen gibt, mit denen das Heterochromatin an die Zellkernhülle geheftet wird. Dabei fungieren zwei sehr unterschiedliche Komponenten der Hülle als Heterochromatin-fixierende Klammern: Einerseits das Strukturprotein Lamin A/C, und andererseits der Lamin-B-Rezeptor LBR.

Normalerweise kommen beide Komponenten nacheinander zum Einsatz: „Im Lauf der Zellreifung wird von LBR zu Lamin A/C umgeschaltet, d.h. es ist immer mindestens eine Klammer vorhanden, mit der Heterochromatin an den Zellkernrand geheftet wird. Nur wenn beide fehlen, zieht sich das stillgelegte Heterochromatin wie ein losgelassenes Gummiband in der Mitte des Zellkerns zusammen“, so Leonhardt. Dabei scheint es sich um ein grundlegendes Prinzip bei der Entwicklung und Reifung bei Säugerzellen zu handeln, wie die Wissenschaftler durch Untersuchungen an insgesamt 39 Säugetierarten und die Analyse zahlreicher Gewebe aus neun Mausmodellen nachweisen konnten.

Chance auf gezielte Behandlung genetischer Krankheiten

Lamine haben nicht nur eine strukturelle Funktion, sondern sie beeinflussen auch die Genregulation. LBR steuert das Stammzellprogramm vor der Geburt und begünstigt das Ablesen von Genen, die für sich schnell teilende Stammzellen wichtig sind. Lamin A/C dagegen kodiert eine strukturelle Komponente der Zellkernhülle und reguliert in Muskelzellen die Expression von muskelzellspezifischen Genen. Mutationen im Lamin A/C Gen führen zu sogenannten Laminopathien, dies sind seltene genetische Erkrankungen mit einem weiten Spektrum klinischer Symptome, darunter Progerie (vorzeitiges Altern) und fortschreitende Muskelschwäche.

Die Wissenschaftler vermuten nun, dass Lamin A/C-Mutationen das Ablesen spezifischer Gene bei der Zellreifung beeinträchtigen und damit die Funktionstüchtigkeit dieser Gewebe einschränken. Damit haben sie möglicherweise eine Erklärung für die sehr komplexen Symptome bei Patienten mit Mutationen im Lamin A/C Gen gefunden, die die Chance eröffnet, gezieltere Behandlungs-Ansätze für Laminopathien zu entwickeln.

Mit ihren Ergebnissen gewannen die Wissenschaftler somit grundlegend neue Einsichten, wie die unterschiedlichen Zellen unseres Körpers jeweils den für sie wichtigen Teil der gesamten Erbinformation ablesen. „Letztlich sind wir von der Nachtsichtigkeit und einer kuriosen Laune der Natur zu fundamentalen regulatorischen Mechanismen gelangt: Die Zellkernhülle entscheidet mit, und daher macht es einen großen Unterschied, in welcher Hülle unser Erbgut steckt“, schließt Leonhardt. (göd)

Publikation:
LBR and Lamin A/C Sequentially Tether Peripheral Heterochromatin and Inversely Regulate Differentiation
Irina Solovei, Audrey S. Wang, Katharina Thanisch, Christine S. Schmidt, Stefan Krebs, Monika Zwerger, Tatiana V. Cohen, Didier Devys, Roland Foisner, Leo Peichl, Harald Herrmann, Helmut Blum, Dieter Engelkamp, Colin L. Stewart, Heinrich Leonhardt, and Boris Joffe
Cell, 31.1.2013
http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2013.01.009
Kontakt:
Professor Dr. Heinrich Leonhardt
Department Biologie II
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http://www.bioimaging.bio.lmu.de/personen/professoren/leonhardt/index.html