© Deutsches Krebsforschungszentrum
Zellen geben auch Informationen weiter, die nicht zum Gencode gehören
Wenn sich eine Zelle teilt, wird nicht nur die im Erbmolekül, der Desoxyribonukleinsäure, gespeicherte Information exakt an die Tochterzellen weitergegeben. Auch Besonderheiten an den Erbanlagen, sogenannte epigenetische Modifikationen, die nichts mit dem genetischen Code zu tun haben, werden vererbt. Diese Merkmale sind eine Art Make-up für die Gene. Sie machen die unterschiedlichen Gewebezellen zu dem, was sie sind, zu Leberzellen, Nierenzellen oder Muskelzellen.
Die jeweils nicht benötigten Erbanlagen bleiben dabei infolge der Modifikation dauerhaft abgeschaltet. Nur während der Embryonalentwicklung ändert sich das Make-up der Gene in dynamischer Weise. Später, wenn die Zellen ausdifferenziert sind, bleibt es im Prinzip immer gleich. So ist sichergestellt, daß bei ein und derselben Zellart in einem Gewebe stets dieselben Gene aktiv sind. Wie die nicht im genetischen Code verankerte Information von Zelle zu Zelle weitergegeben wird, war bislang ein Rätsel. Zwei Forscherinnen aus Schottland haben nun das Geheimnis weitgehend gelüftet.
Während des gesamten Lebens der Zelle stumm
Ähnlich wie beim Make-up im Gesicht wird auch auf das Erbmaterial gewissermaßen eine Schicht aufgetragen, die Darunterliegendes verdeckt. Im Fall der Desoxyribonukleinsäure, der DNS, besteht das Make-up aus kleinen Molekülen, kugeligen Methylgruppen, die an bestimmte Genbausteine angeheftet werden.
Die auf diese Weise beschichteten Gensequenzen sind dann für das Ableseenzym nicht mehr erreichbar und bleiben praktisch während des gesamten Lebens der Zelle stumm. Das Methylierungsmuster wird bei jeder Verdoppelung der Zelle exakt an beide Tochterzellen weitergegeben. Es kommt also zu einer Vererbung, die nicht auf der Grundlage komplementärer Basenpaare beruht.
Die durch Methylierung abgeschalteten Gene erhalten zudem eine Art molekularer Sicherung, damit sie nicht versehentlich doch einmal zur unrechten Zeit aktiviert werden. Die als Verpackungsmaterial für den DNS-Faden dienenden Histonproteine werden im Bereich methylierter Gene ebenfalls mit Methylgruppen bestückt.
Shireen Sarraf und Irina Stancheva von der University of Edinburgh haben nun herausgefunden, daß bei der Vererbung der epigenetischen Information die Methylierung der DNS eng mit einer Methylierung von Histonproteinen einhergeht ("Molecular Cell", Bd. 15, S. 595). Dadurch wird gewährleistet, daß die jeweilige Erbanlage bei den Tochterzellen abgeschaltet bleibt.
Kleeblatt-Komplex kopiert alt auf neu
Bevor sich eine menschliche Zelle teilt, verdoppelt sie zunächst ihre DNS. Nahe an der Stelle, an der sich das Erbmolekül reißverschlußartig in seine beiden Einzelstränge aufspaltet, lösen sich die kugeligen, den DNS-Faden verkürzenden Verpackungsstrukturen auf. Nach den Beobachtungen der beiden Forscherinnen entsteht dort, wo der methylierte Genbaustein bei der Verdoppelung an der Reihe ist, eine Vierergruppe von Proteinen.
Dieser Kleeblatt-Komplex sorgt dafür, daß auf dem neugebildeten DNS-Doppelstrang das gleiche Modifikationsmuster entsteht wie auf dem alten. Auch die für die neue Verpackung notwendigen Histonproteine erhalten wieder ihre gewohnten Methylgruppen. Bei zwei Komponenten des Kleeblatt-Komplexes handelt es sich um Enzyme, die Methylgruppen zu übertragen vermögen, wobei das eine die DNS-Bausteine methyliert, das andere aber die Histonproteine. Beide arbeiten Hand in Hand, was zur Folge hat, daß das gewohnte Make-up synchron auf beiden Ebenen wiederhergestellt werden kann.
Weitere Sicherung eingebaut
Das Modell zeigt, wie epigenetisches Gedächtnis am Erbmaterial bei der Zellteilung erhalten bleibt und wie dieses dafür sorgt, daß an spezifisch methylierter DNS entsprechend modifizierte Verpackungsproteine erhalten bleiben. Nur so wird eine Voraussetzung dafür geschaffen, daß in den Tochterzellen dieselben Gene inaktiv sind wie in der Mutterzelle.
Weil das von entscheidender Bedeutung ist, muß man sich nicht wundern, daß die Natur der Zelle eine weitere Sicherung eingebaut hat. Fällt der jetzt entschlüsselte Mechanismus aus, stellen offenbar andere, davon unabhängige Systeme die Vererbung der epigenetischen Merkmale sicher.
