Kapitel 1: Nucleinsäuren, Chromatin, Chromosomen

Die Experimente von Frederick Griffith aus dem Jahr 1928 zeigen, dass eine hitzestabile Substanz eine erbliche Eigenschaft eines Bakterienstamms auf einen anderen übertragen kann. Aufbauend auf den Experimenten von Griffith konnten Oswald Avery und Mitarbeiter zeigen, dass DNA das Erbmaterial stellt. Die Befunde wurden 1944 publiziert. Schließlich wurde im Jahr 1952 die Rolle der DNA durch die Experimente von A. D. Hershey und Martha Chase mit dem Bakteriophagen T2 bestätigt.

Nucleotide bestehen aus drei Komponenten: einem Zuckermolekül, einer Base und mindestens einer Phosphatgruppe. Zuckermolekül: Bei der RNA findet sich das Zuckermolekül in Form eines 5-gliedrigen Ringsystems (Pentose), bei der die Kohlenstoffatome in Position 2´ und 3´ eine Hydroxylgruppe tragen (Ribose). Die DNA besitzt eine Desoxypentose, das Kohlenstoffatomin Position 2´ hat keine Hydroxylgruppe. Base: Bei den in der DNA vertretenen Basen unterscheidet man zwei Typen. Es sind dies in der DNA die Pyrimidinbasen (6-gliedriges Ringsystem) Thymin (Thy) und Cytosin (Cyt). Die RNA besitzt an Stelle des Thymins die Pyrimidinbase Uracil (Ura), die sich vom Thymin nur durch das Fehlen einer Methylgruppe in Position 5 unterscheidet. Weiterhinkommen in der DNA und RNA die Purinbasen (überlappendes 5- und 6-gliedriges Ringsystem) Adenin (Ade) und Guanin (Gua) vor. Phosphatgruppe: Durch Veresterung der Hydroxylgruppe am Kohlenstoffatom in der Position 5` der Pentose oder Desoxypentose mit Phosphorsäure werden die Nucleotide gebildet. Nucleotide können auch Di- und Triphosphate sein.

Die Watson-Crick-Paarung führt zu den Basenpaaren A-T und G-C innerhalb der Doppelhelix. Über Hoogsteen-Paarung können sich Basen an die Außenseite der Doppelhelix anlagern. Ein G, gebunden an ein GC-Paar, und ein T, gebunden an ein AT-Paar, scheinen dabei besonders stabil zu sein. Beide Formen der Basenpaarung beruhen auf Wasserstoffbrückenbindungen.

In der B-DNA kommen 10,5 Basenpaare auf eine Windung der Doppelhelix. Die Windung hat eine Länge von 3,4 nm.

Die Abnahme der maximalen Absorption kurz welligenLichts (260 nm) in einer Lösung mit Nucleinsäuren beim Übergang von einzelsträngiger zu doppelsträngiger DNA wird als Hypochromie bezeichnet.

Die Erhöhung der Temperatur einer DNA-haltigen Lösung führt zur Auflösung der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren. Die beiden Stränge der Doppelhelix trennen sich voneinander. Die Zunahme einzelsträngiger Bereiche ist anhand der Absorptionszunahme bei 260 nm in der Lösung messbar. Bei Auftragung der relativen Absorption (1,0 entspricht der maximalen Absorption der doppelsträngigen DNA) der Lösung gegen die Temperatur, erhält man eine Schmelzkurve der DNA.

Bei einem Palindrom liegen zwei identische Basensequenzen, eine davon jedoch in umgekehrter Orientierung, sehr nahe hintereinander in der DNA vor. Die Basensequenzen sind in Bezug auf die Einzelstränge zueinander kreuzspiegelsymmetrisch und daher komplementär. Die Paarung der komplementären Basen innerhalb eines DNA-Strangs kann zu einer kreuzförmigen Struktur, einer so genannten Haarnadelschleife (hairpinloop oder stem loop), führen. Diese Konformation ist allerdings energetisch ungünstig.

Die meisten Bacteria z.B. E. coli besitzen ein ringförmiges doppelsträngiges DNA-Molekül als Genom. Es liegt in derZelle in einer als Nucleoid bezeichneten Region vor, ist superhelikal aufgewunden und mithilfe von Nucleoid-assoziierten Proteinen in 50 bis 100 Schleifendomänen organisiert.

Enzymatischer DNA-Abbau von isoliertem Chromatin führt im Experiment zu dem Befund, dass ein DNA-Abschnitt von 146 bp in 1,75 Windungen um ein Aggregat aus sogenannten Histon-Proteinen geschlungen ist. Diese unter dem Begriff "Core-Histone" zusammengefassten Proteine werden als H2A, H2B, H3 und H4 bezeichnet, und jeweils zwei von jeder Spezies sind im Nucleosom vertreten. Im Nucleosom liegt also ein Histonoktamer vor. Zwischen den Histonoktameren erstreckt sich sogenannte freiliegende oder Linker-DNA uneinheitlicher Länge (bis 80 bp). Dort ist auch eine weitere Histonspezies, das Linker-Histon H1 gebunden.

Der Aufbau des 30-nm-Fadens ist noch nicht endgültig geklärt. Zwei Modelle werden gegenwärtig diskutiert. Vieles spricht dafür, dass eine relativ regelmäßige superhelikale Anordnung, ein Solenoid, vorliegt. Zweifel an der Ausbildung eines Solenoids ergeben sich aber aus der Beobachtung, dass die Linker-DNA unterschiedlich lang sein kann. Berücksichtigt man diese Unregelmäßigkeiten in der Struktur des 10-nm-Fadens in stärkerem Maß, erhält man eine eher unregelmäßige Struktur mit lokalen Verdichtungen, die bis zu sechs Nucleosomen umfassen sollen. Für diese Anordnung ist der Begriff Superbeads üblich.

Die Tertiärstruktur des Chromatins wird von Schleifendomänen der DNA bestimmt, die der 30-nm-Faden ausbildet. Die Schleifendomänen sind unterschiedlich groß (5 bis 200 kb DNA; Durchschnitt: 63kb). Sie sind an einem Proteingerüst (protein scaffold) aus Nicht-Histon-Proteinen verankert. Es hat sich gezeigt, dass nur bestimmte DNA-Abschnitte mit dem Proteingerüst in Kontakt stehen. Diese Kontaktbereiche nennt man entweder MAR (matrix-associated regions) oder SAR (scaffold-associated regions).

In den Centromeren ist repetitive, nicht transkribierte DNA angereichert. Dort ist das Chromatin unterkondensiert, und in monokinetischen Chromosomenals primäre Konstriktion zu erkennen. Im Bereich der Centromere, dem Chromatin aufgelagert, bildet sich oft die trilaminare Struktur des Kinetochors aus. Sie besteht aus drei Platten und in einigen Fällen in einer vierten Schicht, der Corona.

Manche Chromosomen im Karyotyp eines Organismus zeigen neben der primären Konstriktion (Centromer) eine weitere Konstriktion, die sekundäre Konstriktion. Dort liegt repetitiv angeordnete ribosomale DNA. Die Region wird als Nucleolus-organisierende Region, NOR, bezeichnet.

Die Cytogenetik ist eine Disziplin, die sich mit der cytologischen Analyse des Karyotyps beschäftigt. Die Bestimmung der Chromosomenzahl und der Geschlechtschromosomen- Situation gehören zu ihren Aufgaben.

Die G-Bänderung hat bei Säugetier und Mensch große Bedeutung. Speziell vorbehandelte Chromosomenpräparate werden mit der Giemsa-Lösung angefärbt. In jedem Chromosom wird dadurch in reproduzierbarer Weise ein Muster aus hellen und dunklen Banden erzeugt. Die G-Bänderung ist für die pränatale Diagnose beim Menschen unentbehrlich. Die R-Bänderung produziert ein zur G-Bänderung komplementäres Bandenmuster und wird besonders zur Analyse der Chromosomenenden eingesetzt. (Die Q-Bänderung ist ein Fluoreszenzverfahren, bei dem durch den für AT-reiche Sequenzen spezifischen Fluoreszenzfarbstoff Quinacrinein Bandenmuster erzeugt wird, das Unterschiede im Basengehalt einzelner Chromosomensegmente wiedergibt. Die C-Bänderung stellt ausschließlich konstitutives Heterochromatin dar, wie es vor allem in den Centromeren vorhanden ist. Eine ebenfalls sehr selektive Färbetechnik ist die Ag-NOR-Färbung. Sie zeigt NORs, die in der vorausgegangenen Interphase aktiv waren.)

In Meiocyten beobachtet man eine vorübergehende, auf einzelne Segmente beschränkte Dekondensation der Chromosomen, die sich durch die Bildung paariger Schleifen seitlich der Chromosomenachse zu erkennen gibt. Die Bedeutung dieser Lampenbürstenchromosomen ist noch ungeklärt.

Alle euploiden Individuen einer Art besitzen einen Satz von Chromosomen, die als A-Chromosomen bezeichnet werden. Daneben werden aber bei Tieren und Pflanzen weitere Chromosomen gefunden, die als B-Chromosomen, überzählige Chromosomen oder zusätzliche Chromosomen bezeichnet werden. Ihre Zahl schwankt in verschiedenen Individuen einer Population oft, ohne dass bestimmte Auswirkungen zu erkennen sind. Der biologische Sinn der B-Chromosomen ist unklar.