Histonmarkierungen

Die Vererbung von Gensiegeln

Gene winden sich als DNA-Faden um Histonproteine. Muss ein Gen inaktiv bleiben, werden seine Histone markiert, vergleichbar mit einem Buch, das versiegelt wird und so nicht gelesen werden kann. Nach jeder Zellteilung müssen die Histonmarkierungen wieder an exakt derselben Stelle platziert werden.

Enzym PRC2 hilft in Zellen beim Versiegeln.

Wie bei einem versiegelten Buch können einige Gene aus der DNA-Bibliothek nicht gelesen werden, denn manche Gene werden je nach Zelltyp nicht gebraucht. Das Enzym PRC2 hilft in Zellen beim Versiegeln. | MPI Biochemie

In Tieren und Pflanzen ist die genomische DNA im Zellkern um kleine Proteine, die Histone gewickelt. Jürg Müller, Leiter der Abteilung „Biologie des Chromatins“ vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried erklärt: „Die DNA ist wie eine große Bibliothek. Jedes Buch entspricht der genauen Bauanleitung für ein Protein. Obwohl in allen Zellen dieselbe DNA-Bibliothek vorhanden ist, sind einige Bücher versiegelt. Eine Muskelzelle braucht andere Protein-Bauanleitungen als eine Darmzelle.“

Lesen verhindert

Es gibt Regulationsmechanismen in Zellen, die das Lesen von Genen verhindern. Die chemische Markierung von Histonproteinen spielt bei der permanenten Versiegelung von Genen eine entscheidende Rolle. Mit der Frage, wie das Lesen von bestimmten Genen in den verschiedenen Zelltypen dauerhaft verhindert und vererbt wird, untersuchte Müller mit seinem Team in der aktuellen Studie.

PRC2 hilft beim „Versiegeln“

Histone entscheiden, wie zugänglich ein Gen ist. An Genen, die inaktiv bleiben müssen, werden Histone durch das Enzyms PRC2 chemisch modifiziert. „Wäre das Histon ein Buchverschluss, hilft PRC2 beim Versiegeln, und verhindert das Lesen“, beschreibt Müller.

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Bei der Zellteilung wird die Information, welche Gene in welchen Zelltypen aktiv beziehungsweise inaktiv sind, an die Tochterzellen weitergegeben – oder im Bild gesprochen: Alle Bücher müssen kopiert werden. Dabei müssen die Kopien bestimmter Bücher wieder versiegelt werden. Dazu reichen die in der Mutterzelle vorhandenen Histone aber nicht aus. Daher werden neu hergestellte Histone eingebaut.

Wichtige Rolle der Polycomb Response Elemente

„Wir haben jetzt untersucht, wie die in der Mutterzelle vorhandenen markierten Histonproteine an einem Gen während der Zellteilung verteilt werden, und wie neu eingebaute Histone die Markierung durch PRC2 erhalten“, so Müller. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die schon markierten Histone zufällig auf die Tochterzellen verteilt werden. Damit PRC2 die „neuen“ Histone versiegeln kann, muss es zuvor an bestimmte Sequenzen in der DNA – sogenannte Polycomb Response Elemente – binden. „Wird diese Polycomb Response Element-DNA aus der DNA entfernt, kann keine neue PRC2 Histonversiegelung mehr stattfinden. Dann gibt es nur die schon markierten Histone aus der Mutterzelle. Bei jedem weiteren DNA-Kopiervorgang und somit jeder Zellteilung wird die Anzahl der versiegelten Histone verdünnt und geht so nach einigen Teilungen komplett verloren“, erklärt Friederike Laprell, Erstautorin der Studie.

Erhaltung der Zellidentität

Der Verlust dieser Versiegelung führt dazu, dass Gene aktiv werden, welche neue Entwicklungsprogramme anschalten. So verliert die Zellen innerhalb kürzester Zeit ihre Identität. „Gemeinsam bilden somit die Polycomb Response Element-DNA und PRC2 das Fundament um Gene vererbbar inaktiv zu halten. Nur so bleibt die Zellidentität über viele Generationen hindurch erhalten“, fasst Müller zusammen. (idw, red)

 

Literatur:

F. Laprell, K. Finkl and J. Müller: Propagation of Polycomb-repressed chromatin requires sequence-specific recruitment to DNA. Science, März 2017, DOI: 10.1126/science.aai8266.