Verpackungskünstler DNA! Alles fraktal!

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Autor: Fee
Das menschliche Erbgut umfasst gut 3,2 Milliarden Basenpaare und würde aufgerollt und in einem Stück eine Länge von knapp zwei Metern einnehmen. Dieser 2m lange Strang ist in 46 Chromosomen orgnisiert, die nur während der Zellteilung in ihrer kondensierten Form vorliegen, die übrige Zeit befindet sich die DNA in einem Knäuel, das mehr oder weniger den gesamten Zellkern ausfüllt.
Dies wirft natürlich Fragen auf, allen voran, wie verpackt man zwei Meter DNA in einem Knäuel, der nur wenige Mikrometer im Durchmesser misst? Und aus dem Wissen, dass sich DNA Regionen gegenseitig beeinflussen können, die relativ weit voneinander entfernt sind, folgte die Hypothese, dass die räumliche Anordnung der DNA im Zellkern einer regulierten Ordnung folgen muss. Aus früheren Studien von Alexander Grosberg, wurde eine Hypothese der fraktalen Verpackung bereits formuliert, doch erst mit der vorliegenden Studie konnte dies bewiesen werden.
Um die fraktale Verpackung genauer zu untersuchen sind Forscher nun einen wunderbar einfachen, aber doch gänzlich neuen Weg gegangen. Sie benutzten die Chemikalie Formaldehyd, die sogenannte Crosslinks, also chemische Verbindungen zwischen den DNA Strängen einfügen kann, so dass die benachbarten Regionen der DNA-Stränge bei der Auflösung des Zellkerns verbunden blieben. Dann wurden die überhängenden Strangenden mittels der Restriktionsendonuklease HindIII abgeschnitten und die DNA Abschnitte wurden sequenziert, um benachbarte Sequenzen zu bestimmen. Das klingt jetzt einfach, in Wirklichkeit mussten Millionen um Millionen von Einzelsequenzen bestimmt werden, um die “Schnipsel” später wieder zu einer Gesamtdarstellung der 3D-Struktur der im Zellkern vorliegenden DNA zusammenzusetzen. Eine Sisyphosarbeit, die erst durch moderne und äusserst leistungsfähige Sequenzierungmethoden ermöglicht wurde. Doch das Resultat kann sich sehen lassen.
Die Forscher fanden heraus, dass die Struktur der DNA einer fraktalen dreidimensionalen Hilbertkurve gleicht.

Hilbert curve Verpackungskünstler DNA! Alles fraktal!
Hilbertkurve im Zoom (Wikipedia)

Die 1981 von David Hilbert beschriebene Kurve kann einen gegeben Raum sehr dicht ausfüllen, ohne sich dabei selbst zu überkreuzen. Es bilden sich also immer wieder globuläre Strukturen, die in sich wieder kleinere globuläre Strukturen und diese in sich wieder weitere noch kleinere aber gleich aufgebaute Strukturen besitzen.
Und bei der ganzen Ordnung liegt die DNA in klar voneinander abgrenzbaren Bereichen vor, die dem Ablesen und der Regulation der Gene dienen. Es kommt also zu keinerlei verheerenden Verwirrungen, die alles in einen unbrauchbaren Chaoszustand versetzen würden, doch eine fehlerhafte Organisation könnte laut den Autoren der Studie durchaus an der Entstehung von Krankheiten wie zum Beispiel Krebs beteiligt sein. Auf jeden Fall tut sich hier eine neue Methode für ein sehr interessantes Feld der Biologie auf, die es eines Tages vielleicht ermöglicht, regulatorische Prozesse im Kontext der 3D-Struktur des Erbguts im Zellkern zu entschlüsseln.

Lieberman-Aiden, E., van Berkum, N., Williams, L., Imakaev, M., Ragoczy, T., Telling, A., Amit, I., Lajoie, B., Sabo, P., Dorschner, M., Sandstrom, R., Bernstein, B., Bender, M., Groudine, M., Gnirke, A., Stamatoyannopoulos, J., Mirny, L., Lander, E., & Dekker, J. (2009). Comprehensive Mapping of Long-Range Interactions Reveals Folding Principles of the Human Genome Science, 326 (5950), 289-293 DOI: 10.1126/science.1181369

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RSSKommentare (1)

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  1. Russie sagt:

    Fraktale sind wirklich eine wahnsinnige Erfindung der Natur. Die Lunge ist glaube ich genause wie der Darm auch fraktal aufgebaut. Wahniss welches System hinter den scheinbar zufälligen Formen steckt.
    Fraktale Formen gibt as auch beim Gemüse z.B. Romanesco.

    [Antwort]

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