Histone H3K9 methylation and Heterochromatin Protein 1 do not limit DNA accessibility in living S. pombe cells

In jeder lebenden Zelle schwebt der genetische Code nicht frei, sondern ist eng um Proteinspulen gewickelt, wodurch ein komplexes Material namens Chromatin entsteht. Diese Verpackung erfüllt einen doppelten Zweck: Sie schützt die langen DNA-Stränge und steuert, welche Teile des genetischen Instruktionshandbuchs in einem gegebenen Moment gelesen werden können. Jahrzehntelang gingen Wissenschaftler davon aus, dass diese Wicklung als Torwächter fungiert, insbesondere in Regionen, die als Heterochromatin bekannt sind. Dies sind die dicht gepackten Abschnitte des Genoms, die oft durch chemische Markierungen an den Proteinspulen und durch spezifische Proteine gekennzeichnet sind, welche man so fest ums DNA einschließen sollten, dass die zelluläre Maschinerie sie nicht erreichen konnte. Diese Vorstellung einer abgeriegelten Region war zentral für das Verständnis darüber, wie Zellen ihre Gene regulieren, und legte nahe, dass die primäre Aufgabe dieser chemischen Markierungen und Bindeproteine darin besteht, den Zugang zur DNA physisch zu blockieren.

Forscher haben dieses Phänomen lange Zeit in verschiedenen Organismen untersucht, darunter Menschen und die Knospende Hefe, wobei Belege aus isolierten Zellkernen die Ansicht stützten, dass Heterochromatin tatsächlich eine Barriere für den Eintritt darstellt. In dieser Hefe wird das Heterochromatin durch spezifische chemische Modifikationen an seinen Histonproteinen und das Vorhandensein eines Bindeproteins namens HP1 definiert. Die vorherrschende Theorie besagte, dass diese Merkmale zusammenwirkten, um die DNA zu versiegeln und den Zugriff zu verhindern. Um zu testen, ob dieses Modell in einer lebenden, atmenden Zelle und nicht in einer statischen Probe Bestand hat, entwickelten die Forscher eine neue Methode, um die Zugänglichkeit der DNA direkt innerhalb des Organismus zu untersuchen. Sie führten ein System ein, das ein spezifisches Enzym aktivieren konnte, um die DNA zu modifizieren, was es ihnen ermöglichte, in Echtzeit zu messen, wie leicht dieses Enzym verschiedene Teile des Genoms erreichen konnte.

Die Ergebnisse dieses Experiments stellten den lang gehegten Glauben infrage, dass die chemischen Markierungen und Bindeproteine als physische Wand fungieren. Als die Wissenschaftler die DNA in lebenden Zellen der Knospenden Hefe maßen, fanden sie heraus, dass das dicht gepackte Heterochromatin genauso offen und zugänglich war wie die lockerer gepackten Regionen des Genoms. Sogar die Zentromere, jene spezialisierten Bereiche, an denen Chromosomen am internen Skelett der Zelle anheften, waren in diesem Organismus vollständig zugänglich. Dies steht im Gegensatz zu Erkenntnissen bei anderen Arten, in denen Zentromere oft unzugänglich sind. Die Studie legt nahe, dass in der lebenden Knospenden Hefe die chemischen Markierungen und die Bindeproteine nicht dadurch funktionieren, dass sie die Tür zur DNA blockieren. Stattdessen erscheint das Genom global dynamisch, wobei die Maschinerie in der Lage ist, fast jeden Teil der DNA zu erreichen, unabhängig vom lokalen Verpackungsstil.

Die Geschichte ändert sich jedoch, wenn die Forscher dieselben Zellen betrachteten, nachdem sie aufgebrochen worden waren, um die Zellkerne zu isolieren. In diesen isolierten Proben wurde das Chromatin weitgehend unzugänglich und verhielt sich genau so, wie das traditionelle Modell es vorhersagte. Die Forscher stellten fest, dass dieser Wechsel nicht durch den Verlust der chemischen Markierungen oder der Bindeproteine verursacht wurde, sondern vielmehr durch die physische Struktur der DNA selbst. In den isolierten Kernen waren die Proteinspulen so dicht beieinander gepackt, dass kaum Platz zwischen ihnen für Enzyme vorhanden war. Dieser enge Abstand, der auftritt, wenn die Zelle nicht mehr intakt ist, schafft eine physische Barriere, die in der lebenden Zelle nicht existiert. Folglich deutet die Studie darauf hin, dass das chemische System aus Markierungen und Bindeproteinen in dieser Hefe die Genaktivität nicht unterdrückt, indem es den Zugang zur DNA verhindert. Die Vorstellung, dass diese Proteine als Schloss fungieren, um die DNA zu verstecken, scheint eine Fehlinterpretation dessen zu sein, was geschieht, wenn Zellen aus ihrem natürlichen, lebenden Zustand entfernt werden.