Präzisionsarbeit vor der Zellteilung: Wie Enzyme die DNA-Struktur optimieren

Bevor eine Zellteilung erfolgen kann, muss die gesamte Erbinformation präzise verdoppelt werden. Da die DNA jedoch als dichter DNA-Protein-Komplex, das sogenannte Chromatin, vorliegt und um Histon-Proteine zu Nukleosomen gewickelt ist, bedarf es einer kurzzeitigen Umorganisation dieser Struktur. Ein Team um die Molekularbiologen Professor Axel Imhof und Professor Christoph Kurat am Biomedizinischen Centrum (BMC) hat nun entschlüsselt, wie diese präzise Verpackung gesteuert wird.

Frühere Untersuchungen von Kurats Team zeigten bereits, dass der Ursprungserkennungskomplex (ORC) als zentraler Regulator fungiert und verschiedene molekulare „Umbauhelfer“ wie den Chromatin-Remodeller INO80 koordiniert. Diese Moleküle stellen sicher, dass an den Startpunkten der DNA-Replikation, den sogenannten Origins, die erforderliche Struktur entsteht. Dabei muss ein spezifisches Stück DNA frei liegen und von regelmäßigen Nukleosomen-Anordnungen flankiert werden, da die Zellmaschinerie nur bei dieser korrekten Organisation mit dem Kopieren des Erbguts beginnen kann.

Molekularer Schalter: Enzym DDK steuert den Start der DNA-Replikation

In ihrer aktuellen Studie untersuchten die Forschenden die zeitliche Abstimmung der Chromatin-Organisation innerhalb des Zellzyklus. Dabei stand das Enzym DDK (Dbf4-Dependent Kinase) im Fokus, das bisher vor allem für die direkte Aktivierung der Replikations-Maschinerie bekannt war. Eine umfassende proteomische Analyse belegte nun jedoch, dass auch der Chromatin-Remodeller INO80 ein zentrales Ziel von DDK ist. Als Kinase modifiziert das Enzym sein Zielmolekül chemisch durch das Übertragen von Phosphatgruppen.

Diese Phosphorylierung fungiert als molekularer Schalter, der die interne Struktur von INO80 verändert und dessen Aktivität steigert. Ohne diese Modifikation gelingt es INO80 nicht, die Nukleosomen an den Replikationsursprüngen präzise genug zu positionieren. Der Mechanismus stellt somit sicher, dass INO80 exakt zum richtigen Zeitpunkt „replikationskompetent“ wird. Zellen ohne diese Phosphorylierung weisen deutliche Verzögerungen beim Start der Replikation auf und reagieren extrem empfindlich auf Replikationsstress.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Zellzyklus-Kinasen über ihre Aufgaben für die zentrale Replikationsmaschinerie hinaus auch die ‚Landschaft‘ vorbereiten, auf der diese Maschinen arbeiten“, erklären Imhof und Kurat. „Damit wird immer deutlicher, dass Nukleosomen nicht nur Replikationshindernisse sind, sondern entscheidend an der Steuerung wichtiger Prozesse beteiligt.“

Quelle

Ludwig-Maximilians-Universität München (04/2026)