Die nukleare Architektur: Was organisiert die genome in einem Zellkern?

Räumliche Trennung von aktiven und inaktiven Fraktionen des Genoms im Kern der Zellen ist von entscheidender Bedeutung für die Genexpression Steuern. Eine neue Studie deckt führenden Mechanismen solcher Trennung und verwandelt sich unser Bild der Kern auf den Kopf.

Eukaryontische Chromosomen sind gebaut von chromatin, einem Komplex aus DNA und assoziierten Proteinen. Je nach transkriptioneller Aktivität und der Grad der Verdichtung werden zwei Typen von chromatin unterschieden werden können, und diese beiden Arten sind räumlich getrennt in den Zellkern. Die hoch verdichtete Bruchteil aus Regionen von chromatin enthalten nur wenige und die Gene transkriptionell inaktiv. Es heißt heterochromatin und befindet sich in der Peripherie des Zellkerns, in der Nähe der Kernmembran. Euchromatin, auf der anderen Seite, ist Reich an Genen ist, und entspricht der aktiven Bruchteil des Genoms. Es belegt, dass die inneren Regionen des Zellkerns, ist weniger dicht gepackt, und somit auch zugänglicher für die protein-Maschinen erforderlich, die für die gen-expression. Dieses Allgemeine Muster der Genom-Organisation, die in nahezu allen eukaryontischen Zelltypen, aber die Mechanismen zur Festlegung der charakteristischen Verteilung bleiben schlecht verstanden.

Forschung durchgeführt von einem team unter der Leitung von Irina Solovei an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München, Biozentrum, in Zusammenarbeit mit Job Dekker (University of Massachusetts Medical School) und Physiker aus der Gruppe von Leonid Mirny am MIT (Institut für Medizintechnik und Wissenschaft) legen nun nahe, dass die treibende Kraft in der chromatin-segregation ist die inaktive heterochromatin und dass in der ‚Standard‘ – Verteilung von chromatin euchromatin und heterochromatin sind vertauscht. Die neuen Ergebnisse erscheinen in der Fachzeitschrift Nature.

Viele Mechanismen wurden vorgeschlagen, um zu erklären, wie chromatin getrennt ist innerhalb des Zellkerns, aber keiner von Ihnen waren in sich schlüssige, weitgehend, weil es schwierig ist, zu analysieren, die Wechselwirkungen der beiden chromatin-Typen in den Kontext der konventionellen Kerne mit Hetero-angebunden an die Kernmembran. „Für unsere Studie wählten wir deshalb so genannte invertierte Zellkern“, sagt Solovei. Sie und Ihre Münchner Kollegen entdeckten diese Kerne über 10 Jahren in der Netzhaut des nächtlich aktive Säugetiere, wo Sie sind beschränkt auf den Typ von Photorezeptoren bekannt als Stangen. In Stangen, die dicht kondensierte heterochromatin verpackt, im inneren der Kerne, während die aktive euchromatin lokalisiert ist, direkt unter der Kernmembran — eine einmalige Ausnahme von der Allgemeinen Regel. Es stellte sich heraus, dass die Hetero-Kern-Stab Kerne dient als Mikrolinsen-kondensierend Licht-und damit der Verbesserung der optischen Eigenschaften in den nächtlichen Netzhaut. Die nachfolgende Studie der gleichen Gruppe offenbart den Mechanismus der inversion durch die Enthüllung, dass diese atypische Kerne fehlen zwei protein-komplexe, die normalerweise verknüpfen Sie das heterochromatin an der inneren Oberfläche der Kernmembran, die nuclear lamina.

Mithilfe der gewonnenen Daten durch eine Kombination moderner Mikroskopie und molekularbiologischer Techniken haben die Forscher jetzt generiert, polymer-Modelle der individuellen Chromosomen und des ganzen Kerne. Durch die Simulation des Verhaltens dieser Polymere unter verschiedenen Bedingungen, waren Sie in der Lage zu untersuchen, die Rolle der Interaktionen innerhalb und zwischen den beiden chromatin-Fraktionen und die nuclear lamina. Diese Studien zeigten, dass Wechselwirkungen zwischen heterochromatic Regionen allein sind ausreichend für die chromatin-segregation, in der Erwägung, dass die Zusammenhänge im euchromatin sind entbehrlich für diesen Prozess.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die invertierte Zellkern konzeptionell stellt die Standard-nukleare Architektur“, sagt Mirny; „während der Interaktionen von heterochromatin mit der nuklearen lamina sind wichtig für den Aufbau der konventionellen Architektur.“ „In dieser Hinsicht“, sagt Solovei, „es ist faszinierend, sich zu Fragen, warum die meisten Eukaryoten haben konventionelle Kerne, und was die funktionelle Relevanz von heterochromatin Positionierung an der nuklearen Peripherie sein könnte.“