Zeitplan für Chromosomen: Wie chemische Signale die Zellteilung steuern

Innerhalb der Zelle ist die DNA nicht frei gelagert, sondern um einen Kern aus Histon-Proteinen zu sogenannten Nukleosomen gewickelt, wobei chemische Modifikationen an diesen Histonen als molekulare Signale die DNA-Packungsdichte und Genaktivität steuern. Während der Zellteilung muss dieser DNA-Histon-Komplex, das Chromatin, zu kompakten, stäbchenförmigen Chromosomen verdichtet werden. Das ist ein Prozess, der maßgeblich durch sich stark verändernde Histon-Modifikationen gesteuert wird. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Axel Imhof am Biomedizinischen Centrum der LMU und Professor William Earnshaw von der Universität Edinburgh hat diese dynamischen Veränderungen nun mit bisher unerreichter Präzision analysiert. Hierfür entwickelten die Forschenden einen innovativen Ansatz, um Zellpopulationen synchron zur Teilung zu bringen, und erfassten anschließend mittels moderner Massenspektrometrie die exakten Modifikationsmuster während des gesamten Teilungsvorgangs.

Drei verschiedene Phosphorylierungsprogramme

Die Untersuchungsergebnisse verdeutlichen, dass bestimmte chemische Veränderungen keineswegs zufällig auftreten, sondern einem strikten zeitlichen Ablauf folgen. Die Histon-Phosphorylierung, bei der Phosphatgruppen an Histone angeheftet werden, gliedert sich dabei in drei unterschiedliche Programme. Den Beginn markiert die H3S10-Phosphorylierung, welche sich rasch über nahezu das gesamte Chromatin ausbreitet und dort fast vollständig anreichert. Darauf folgt die H3T3-Phosphorylierung, die erst zu einem späteren Zeitpunkt einsetzt, lediglich vorübergehend Bestand hat und primär in den dicht gepackten, genarmen Bereichen des Genoms zu finden ist. Schließlich weist die H3S28-Phosphorylierung wiederum ein ganz eigenes zeitliches Muster auf, welches den komplexen Prozess der Chromatin-Umwandlung vervollständigt.

Frühere Annahme widerlegt

Die Ergebnisse widersprechen gleichzeitig einer bislang weit verbreiteten Annahme, nach der die Entfernung bestimmter chemischer Gruppen von Histonen als entscheidender Schritt für die DNA-Verdichtung galt. In den aktuell untersuchten Zellen konnte ein solcher Effekt jedoch nicht beobachtet werden. Stattdessen blieb das entsprechende Modifikationsniveau weitgehend konstant. Für die Autoren ist dies ein deutlicher Hinweis darauf, dass frühere Befunde lediglich ein Artefakt der damals verwendeten Versuchsbedingungen waren.

„Unsere Arbeit liefert den bisher präzisesten und umfassendsten Überblick darüber, wie Histon-Modifikationen während der Mitose orchestriert werden“, sagt Imhof. „Viele Prozesse folgen einem exakten zeitlichen Muster – und gleichzeitig müssen wir einige bisherige Vorstellungen neu bewerten. Der Histon-Code während der Mitose ist überraschenderweise viel feiner abgestimmt als wir dachten.“

Quelle

Ludwig-Maximilians-Universität München (04/2026)