Jede Zelle hat ein Verpackungsproblem. Sie muss einen zwei Meter langen DNA-Faden in einen winzigen Zellkern packen, mit nicht einmal einem Mikrometer Durchmesser. Das schafft sie mit kugelförmigen Eiweißen, den Histonen. Wie ein Histon funktioniert, damit beschäftigt sich Philipp Voigt. Er arbeitet als Postdoktorand an der New York University, School of Medicine.
"Zum einen ist es ein großer Ball, der sich formt, und um den sich die DNA herumwickelt. Und von diesem Ball gibt es kleinere Stränge, die in den Zellkern hineinragen. Und dort können Proteine binden und verschiedene Funktionen ausführen."
Die kleinen Stränge, die in den Zellkern hineinragen, können sich verändern. Sie erhalten chemische Anhängsel, sogenannte Modifikationen. Dadurch ändert sich ihre Form. Bestimmte Regionen des DNA-Fadens werden versteckt, so dass sie nicht aktiviert werden können. Andere Bereiche werden offen präsentiert und so zur Aktivierung freigegeben.
Die Histone steuern also das Erbgut oder tragen jedenfalls bei zur Steuerung. Das bedeutet aber auch, sie tragen selbst Information. Ihre Form könnte eine Art Code sein, der dem DNA-Code vorgeschaltet ist, so jedenfalls eine Idee in Forscherkreisen. Aber ganz so einfach ist es nicht, so Philipp Voigt.
"Da kann man nicht mehr von einem Eins-zu-eins-Code spreche. Man weiß mittlerweile, dass das sehr viel komplexer ist, so dass viele Leute nicht mehr von einem Code sprechen. Es ist zwar eine ähnliche Bezeichnung, aber man spricht heute lieber von einer Histon-Sprache, bei der man verschiedene Silben zusammenfügt, die dann andere Worte ergeben."
Sollten die Histone, wie die DNA, ein Informationsträger im Zellkern sein, dann müssen sie auch weiter gegeben werden. Wenn sich eine Zelle teilt, müssten beide Nachkommen die vollständige Information aus der Mutterzelle erhalten. Wie das bei der DNA-Doppelhelix funktioniert, haben Forscher vor über 50 Jahren herausgefunden. Wie die Weitergabe von Informationen bei Histonen funktioniert, ist nach wie vor ein großes Rätsel.
"Um die Histone in gleicher Weise weitergeben zu können, müsste man den Ball quasi halbieren. Und wenn man den Ball halbiert und dann beide Hälften des Balles weitergibt, brauchen beide Hälften des Balles die gleiche Information. Und wir haben vor kurzem gezeigt, dass beide Hälften des Balles nicht identisch sind, dass es verschiedene Modifikationen gibt auf den beiden Seiten. Und damit ist auf den beiden Hälften nicht die gleiche Information vorhanden. Und deshalb kann das auch mit so einem Ballhalbierungsmechanismus nicht weiter gegeben werden."
Wie Histone ihre Information weitergeben, ist also immer noch fraglich. Dass sie es können, ist aber unstrittig so Alexander Meissner vom Stammzelleninstitut der Harvard University in Boston.
"Wenn man sich eine Hautzelle anguckt, und dann eine andere Hautzelle nach einer Zellteilung, und dann die Histon-Modifizierungen kartieren würde, dann werden sie genau gleich aussehen. Das heißt: Obwohl der Mechanismus nicht ganz verstanden ist, wie die Histone bei der Zellteilung kopiert werden. Der Zustand an sich wird komplett weitergegeben."
Die Histone sind also ein potenzieller biologischer Informationsträger. Und das macht sie auch zu einem interessanten Ansatzpunkt für neue Wirkstoffe, erklärt Robert Schneider vom Institut für Genetik, Molekular- und Zellbiologie (IGBMC) in Straßburg.
"Können wir verhindern, dass eine bestimmte Modifikation irgendwo gesetzt wird? Dann können wir sagen: Okay, wir regulieren jetzt die Zugänglichkeit der DNA oder wir regulieren so, dass ein bestimmtes Protein nicht mehr binden kann. Und dann ist das Ergebnis, dass wir praktisch ein Gen an- und ausschalten können."
Bei bestimmten Formen von Krebs, aber auch bei Diabetes oder Schizophrenie könnten die Histone eine Rolle spielen. Denn sie verpacken und steuern die Gene, die im Krankheitsgeschehen eine Rolle spielen. Aber wie so oft gilt auch hier: Der Weg von der Grundlagenforschung zur Anwendung ist weit.
"Zum einen ist es ein großer Ball, der sich formt, und um den sich die DNA herumwickelt. Und von diesem Ball gibt es kleinere Stränge, die in den Zellkern hineinragen. Und dort können Proteine binden und verschiedene Funktionen ausführen."
Die kleinen Stränge, die in den Zellkern hineinragen, können sich verändern. Sie erhalten chemische Anhängsel, sogenannte Modifikationen. Dadurch ändert sich ihre Form. Bestimmte Regionen des DNA-Fadens werden versteckt, so dass sie nicht aktiviert werden können. Andere Bereiche werden offen präsentiert und so zur Aktivierung freigegeben.
Die Histone steuern also das Erbgut oder tragen jedenfalls bei zur Steuerung. Das bedeutet aber auch, sie tragen selbst Information. Ihre Form könnte eine Art Code sein, der dem DNA-Code vorgeschaltet ist, so jedenfalls eine Idee in Forscherkreisen. Aber ganz so einfach ist es nicht, so Philipp Voigt.
"Da kann man nicht mehr von einem Eins-zu-eins-Code spreche. Man weiß mittlerweile, dass das sehr viel komplexer ist, so dass viele Leute nicht mehr von einem Code sprechen. Es ist zwar eine ähnliche Bezeichnung, aber man spricht heute lieber von einer Histon-Sprache, bei der man verschiedene Silben zusammenfügt, die dann andere Worte ergeben."
Sollten die Histone, wie die DNA, ein Informationsträger im Zellkern sein, dann müssen sie auch weiter gegeben werden. Wenn sich eine Zelle teilt, müssten beide Nachkommen die vollständige Information aus der Mutterzelle erhalten. Wie das bei der DNA-Doppelhelix funktioniert, haben Forscher vor über 50 Jahren herausgefunden. Wie die Weitergabe von Informationen bei Histonen funktioniert, ist nach wie vor ein großes Rätsel.
"Um die Histone in gleicher Weise weitergeben zu können, müsste man den Ball quasi halbieren. Und wenn man den Ball halbiert und dann beide Hälften des Balles weitergibt, brauchen beide Hälften des Balles die gleiche Information. Und wir haben vor kurzem gezeigt, dass beide Hälften des Balles nicht identisch sind, dass es verschiedene Modifikationen gibt auf den beiden Seiten. Und damit ist auf den beiden Hälften nicht die gleiche Information vorhanden. Und deshalb kann das auch mit so einem Ballhalbierungsmechanismus nicht weiter gegeben werden."
Wie Histone ihre Information weitergeben, ist also immer noch fraglich. Dass sie es können, ist aber unstrittig so Alexander Meissner vom Stammzelleninstitut der Harvard University in Boston.
"Wenn man sich eine Hautzelle anguckt, und dann eine andere Hautzelle nach einer Zellteilung, und dann die Histon-Modifizierungen kartieren würde, dann werden sie genau gleich aussehen. Das heißt: Obwohl der Mechanismus nicht ganz verstanden ist, wie die Histone bei der Zellteilung kopiert werden. Der Zustand an sich wird komplett weitergegeben."
Die Histone sind also ein potenzieller biologischer Informationsträger. Und das macht sie auch zu einem interessanten Ansatzpunkt für neue Wirkstoffe, erklärt Robert Schneider vom Institut für Genetik, Molekular- und Zellbiologie (IGBMC) in Straßburg.
"Können wir verhindern, dass eine bestimmte Modifikation irgendwo gesetzt wird? Dann können wir sagen: Okay, wir regulieren jetzt die Zugänglichkeit der DNA oder wir regulieren so, dass ein bestimmtes Protein nicht mehr binden kann. Und dann ist das Ergebnis, dass wir praktisch ein Gen an- und ausschalten können."
Bei bestimmten Formen von Krebs, aber auch bei Diabetes oder Schizophrenie könnten die Histone eine Rolle spielen. Denn sie verpacken und steuern die Gene, die im Krankheitsgeschehen eine Rolle spielen. Aber wie so oft gilt auch hier: Der Weg von der Grundlagenforschung zur Anwendung ist weit.