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Genforschung : Der Knoten im Erbgut

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Verknotete-DNA-Welt: Künstlerischer Blick ins Innere einer Zelle Bild: Chris Hammang

DNA-Doppelstränge müssen nicht immer linear aufgebaut sein. Der Träger der Erbinformation kann auch verknotet sein. Doch welchen Sinn hat diese kuriose Struktur?

          Seit der Beschreibung der DNA-Doppelhelix durch James Watson und Francis Crick dominiert die Vorstellung, dass die genetische Information linear angeordnet ist, wie die Schienen einer Eisenbahn, auf denen die beteiligten Proteine entlanggleiten. Forscher um Daniel Christ vom Garvan Institute of Medical Research in Sydney haben entdeckt, dass die DNA in den Zellen auch anders angeordnet sein kann, und zwar in Form eines molekularen Knotens. Solche Knoten oder i-Motive entstehen offensichtlich am Ende der G1-Phase des Zellzyklus, wenn die Proteinbiosynthese in Vorbereitung auf die Zellteilung auf Hochtouren läuft.

          Bisher waren i-Motive nur aus dem Reagenzglas bekannt. Christ und seine Kollegen haben diese Strukturen jetzt erstmals in lebenden menschlichen Zellen nachweisen können. Diese DNA-Knoten sind nicht statischer Natur. Sie kommen und gehen und entstehen vor allem dort, wo sich Proteine zum Ablesen eines Gens zusammenfinden. Sie entscheiden vermutlich mit darüber, welche Gene ausgeprägt werden und welche nicht.

          Gepaarte Cytosin-Basen: i-motif

          Ein i-Motiv besteht aus vier Strängen und bildet sich an einem der zum Doppelstrang zusammengelegten Einzelstränge durch die Paarung von Cytosin-Basen. Das ist ungewöhnlich. Denn üblicherweise paaren sich nur Nukleinbasen gegenüberliegender DNA-Stränge und auch nur dann, wenn sie komplementär zueinander sind. Weil die molekularen DNA-Knoten eher in einem sauren Milieu entstehen, galt ihre Existenz in der Zelle mit ihrem neutralen bis schwach-basischen Säuregrad als unwahrscheinlich. Die Forscher haben nun entdeckt, dass sich diese DNA-Strukturen im Gedränge des Genoms tatsächlich unter physiologischen Bedingungen in einer Zelle formen können.

          Junk-DNA kontrolliert Gene

          Für den Nachweis des DNA-Knotens nutzten die australischen Wissenschaftler einen speziellen Antikörper, der nur das i-Motiv erkennt, also keine anderen Formen der DNA wie etwa das sogenannte G4-Motiv. Beim G4-Motiv paaren sich die Guanin-Basen eines Einzelstrangs miteinander. Dank des Antikörpers gelang es den Forschern, i-Motive in einer Reihe menschlicher Zelllinien aufzuspüren und ihren Aufenthaltsort zu ermitteln. So fanden sich die molekularen Knoten vor allem in den Telomeren und in den DNA-Abschnitten, die kontrollieren, ob ein Gen an- oder ausgeschaltet wird.

          Gepaarte Guanin-Basen: g-motif

          Was macht die Forschung der australischen Wissenschaftler so interessant? 98 Prozent der menschlichen DNA sind nicht kodierende Sequenzen, enthalten also keine Information für die Synthese eines Proteins. Früher wurden diese Abschnitte abwertend als „junk DNA“ (Schrott oder Müll) bezeichnet. Heute weiß man, dass sie die Umsetzung des genetischen Programms steuern. Sie bilden also den Regulationsapparat. DNA-Strukturen wie das i-Motiv, das sich vor allem in Bereichen mit vielen nebeneinanderliegenden Cytosin-Basen bildet, gehören offensichtlich wie das G4-Motiv zu diesem Regulationsapparat. Das Arsenal der regulatorischen Sequenzen ist damit um eine Kategorie reicher geworden. Weiterführende Experimente sollen die genaue Rolle dieser besonderen DNA-Formen klären.

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