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Rubrik: News
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Publiziert: 13.05.2003 06:00

Abweichungen vom Watson-Crick DNA-Modell
Die Kernstruktur der DNA

(cm/bhu) Vor 50 Jahren klärten Francis Crick und James Watson die Struktur der DNA auf. Ihr Modell der Doppelhelix stellt aber nur eine idealisierte Form der DNA dar; diese liegt in dieser Form in Zellen nicht vor. Bei höheren Organismen etwa wickelt sich die DNA um so genannte Histonproteine und bildet eine Superhelix. Die DNA und die DNA-bindenden Histonproteine werden in ihrer Gesamtheit als Chromatin bezeichnet, eine einzelne strukturelle Einheit davon als Nukleosom. Der Kern eines Nukleosoms wiederum besteht aus 147 Basenpaaren DNA und einem Histon-Oktamer.

Dem ETH-Professor Timothy Richmond und seiner Gruppe (1) ist es nun gelungen, die Struktur des Nukleosomkerns in einer bis jetzt unerreichten Detailfülle und Genauigkeit bei einer Auflösung von 1,9 Angström (1A=10^-10m) zu beschreiben. In der neuesten Arbeit der Richmond Gruppe, die im Fachmagazin Nature publiziert wurde (2), wird gezeigt, wie die Struktur der DNA, die sich um die Histonproteine wickelt, markant von derjenigen des klassischen Histon-freien Watson-Crick DNA-Modells abweicht.

Die ersten zwei Schritte zur „Nature-Trilogie“

Richmond hat sich kontinuierlich zu der jetzt beschriebenen Struktur vorgearbeitet. Bereits 1984 veröffentlichte er ebenfalls in Nature einen Artikel (3), in dem er den Nukleosomkern mit einer Auflösung von 7 Angström beschrieb. Schon damals konnte er nachweisen, dass sich die DNA nicht gleichförmig um das Histonoktamer windet.


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Der zweite Teil seiner „Nature-Trilogie“ folgte 1997 (4). Mit der zu dieser Zeit erreichten Auflösung von 2,8 Angström konnte seine Forschungsgruppe die Architektur des Komplexes im atomarem Detail beschreiben und zeigen, wie sich die DNA um das Histonoktamer windet und dass die Histonschwänze nicht an der Bindung der DNA beteiligt sind. Die Arbeit gab auch Hinweise darauf, dass die Positionierung der Nukleosomen von der sequenzabhängigen Biegungsfähigkeit der DNA abhängen könnte.

In der neuesten Arbeit gingen Richmond and Davey anhand der neuen Daten detailliert der Frage nach, wie sich die Struktur der Nukleosom-gebundenen DNA von der der „nackten“ Watson-Crick Anordung unterscheidet und wie im Nukleosom eine sequenzspezifische Erkennung durch andere Moleküle und damit die Bindung von Regulationsfaktoren möglich ist. Die neue Röntgenstrukturanalyse zeigt klar, dass und wie sich die Doppelhelix im Nukleosom stärker verdreht als in freier DNA.

Durch dieses verbesserte Verständnis des Nukleosoms löst sich das, auf das native Chromatin bezogene, „DNA-linking number paradox“. Eine weitere neue Erkenntnis betrifft die in der Doppelhelix vorhandene grosse und kleine Furche. Die Bindung der Histone an die DNA wird begünstigt, wenn die kleine Furche den Histonen zugewandt ist. Die neue Arbeit zeigt, dass die Konformation der DNA in der kleinen Furche von der Sequenz abhängt. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Positionierung der Nukleosomen entlang der DNA und damit auch auf die Genregulation.


Fussnoten:
(1) Group Richmond: www.richmond.ethz.ch/
(2) Timothy J. Richmond, Curt A. Davey: The structure of DNA in the nucleosome core, Nature423, 145 - 150 (08 May 2003)
(3) T. J. Richmond, J. T. Finch, B. Rushton, D. Rhodes & A. Klug: Structure of teh nucleosome core particle at 7 resolution, Nature 311, 532-537 (11 October 1984)
(4) Karolin Luger, Armin W. Mäder, Robin K. Richmond, David F. Sargent, Timothy J. Richmond: Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 resolution, Nature389, 251 - 260 (18 Sep 1997)



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