Dass sich rund zwei Meter DNA in einen winzigen Zellkern verstauen lassen, ist kaum vorstellbar – vergleichbar mit einer Angelschnur von der Länge der Schweiz verpackt in einem Emmentaler Käselaib. Und dies, ohne dass sich die Schnur hoffnungslos verheddert. Tatsächlich vollbringt nahezu jede Zelle unseres Körpers diese erstaunliche Verpackungsleistung. Doch die DNA darf nicht einfach dicht zusammengedrängt werden. Gene müssen bei Bedarf zugänglich sein, und das Erbgut muss kopiert und repariert werden können.
«Wir wissen, dass Chromosomen im Zellkern nicht zufällig angeordnet sind», erklärt Prof. Susan Mango. «Doch lange Zeit gab es eine Lücke zwischen dem, was wir unter dem Mikroskop sehen konnten, und dem, was molekulare Untersuchungen über die Organisation der DNA verrieten.»
Während mikroskopische Aufnahmen unterschiedliche Strukturen erkennen liessen, die an kleine Nachbarschaften erinnern, offenbarten molekulare Untersuchungen zwei grundlegende Organisationsprinzipien: sogenannte topologisch assoziierte Domänen (TADs), in denen benachbarte DNA-Abschnitte häufig miteinander in Kontakt stehen, sowie grössere Kompartimente, in denen TADs zusammengefasst sind.
Verborgene Strukturen sichtbar gemacht
Wie sich Chromosomen organisieren, untersuchten die Forschenden während der frühen Embryonalentwicklung des Fadenwurms C. elegans. Entscheidend war dabei, dass das Team sich einzelne DNA-Moleküle individuell angeschaut hat. Frühere Studien hatten darauf hingedeutet, dass TADs bei C. elegans anders als bei Wirbeltieren weitgehend fehlen. Diese Untersuchungen beruhten jedoch auf Durchschnittswerten von Tausenden DNA-Molekülen, wodurch einzelne Strukturen möglicherweise verborgen blieben.
Erstautorin Dania Camila Pulido-Barrera wählte deshalb einen anderen Ansatz: Mit einer Methode namens «Chromatin Tracing» untersuchte sie einzelne DNA-Moleküle und gruppierte sie anhand ihrer räumlichen Faltung. «Wenn man Tausende DNA-Moleküle zusammen betrachtet und daraus einen Durchschnitt bildet, können wichtige Unterschiede verloren gehen», erklärt Pulido-Barrera. «Durch die Untersuchung einzelner Moleküle konnten wir Strukturen entdecken, die zuvor verborgen geblieben waren.»
Drei Arten von Chromosomendomänen entdeckt
Die Forschenden identifizierten drei unterschiedliche Arten grosser Chromosomendomänen innerhalb des Heterochromatins, also besonders dicht gepackter Bereiche des Erbguts. Diese unterscheiden sich nicht nur in ihrer räumlichen Struktur, sondern auch in den Mechanismen, durch die sie entstehen. Eine dieser Domänen ähnelt stark den TADs von Wirbeltieren. Eine weitere enthält eine Gruppe von Genen, die für die Herstellung von Ribosomen, den Proteinfabriken der Zelle, unerlässlich sind. Diese Domäne verhält sich anders als die bisher beschriebenen TAD-Domänen.
«Die grosse Überraschung war diese Vielfalt», sagt Pulido-Barrera. «Wir haben unterschiedliche Arten entdeckt, wie diese grossen DNA-Bereiche im Zellkern organisiert sein können.»
Die im Fachjournal Nature Structural & Molecular Biology veröffentlichten Ergebnisse stellen die bisherige Annahme infrage, dass C. elegans auf seinen Autosomen keine grossen, klar abgegrenzten TAD-ähnlichen Domänen besitzt. Zugleich deuten sie darauf hin, dass grundlegende Prinzipien der Chromosomenorganisation im Tierreich weiter verbreitet sind als bislang angenommen.
Von der Struktur zur Funktion
Im nächsten Schritt wollen die Forschenden untersuchen, welche Funktion diese Strukturen erfüllen. «Wir wissen nun, dass diese unterschiedlichen Domänen existieren. Die grosse Frage ist aber, welche Funktion sie haben», erklärt Mango. «Was passiert, wenn wir sie auflösen? Und wie beeinflusst das die Regulation der Gene?»
Auch diese Fragestellungen lassen sich mit Hilfe von C. elegans beantworten. Denn die Studie von Pulido-Barrera hat einmal mehr gezeigt, dass sich der Modellorganismus für diesen Forschungsbereich und solche Fragen besonders gut eignet.
Originalpublikation:
Dania Camila Pulido-Barrera, Jia E. You, Angelo L. Angonezi, Alexander Kuznetsov, Fei Xu, Tobias Verheijen, Ahilya N. Saw, Pavel Kos, Luca Giorgetti, Nacho Molina, David Brückner and Susan E. Mango. Single-molecule chromatin tracing reveals a diversity of megabase heterochromatin domains. Nature Structural & Molecular Biology, published online 2 October 2026
Kontakt: Kommunikation, Heike Sacher