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Zellbiologie: Flexibilität vor Effizienz

Wo sich große Mengen von Genen ballen, ist ihre Dressur eine noch größere Herausforderung. Kein Wunder, dass die Regulatoren des menschlichen Zellkerns sich vorbehalten, nahezu immer und überall ins Montageband zwischen Gen und Protein eingreifen zu können - und so flexibel bleiben.
"Elegante Effizienz und Just-in-Time-Lieferung: Unsere Gene, ihre Produkte!" – so oder ähnlich hätte ein Marketingexperte unter den Zellkern-Experten noch vor ein paar Jahren seine Werbebotschaft für die Arbeitleistung des Zellkerns getextet. Tatsächlich erschienen Regeln und Mittel sehr geradlinig, mit denen eine Zelle dafür sorgt, dass Proteine auch immer nur in bestimmter Menge produziert werden, sobald die Zelle sie braucht.

Grundsätzlich läuft der Weg vom Gen zum Protein folgendermaßen: Ist Eiweiß-Produktion gefragt, dann wird eine Startrampen-Sequenz auf der DNA frei geräumt (der Promotor), ein Enzym bindet (die RNA-Polymerase) und kopiert (transkribiert) die DNA-Bauanleitung des Proteins in eine transportable Blaupause (die Boten-RNA), welche dann anderswo von Eiweißbaufabriken abgelesen und umgesetzt wird (Translation). Das Ganze funktioniert so von den einfachen Bakterienzellen bis zu den komplexen Zellen höherer Organismen. Allerdings in teilweise extrem unterschiedlichen Komplexitätsstufen, in deren Detailaufklärung sich Biologen bald hingebungsvoll und erfolgreich hineinstürzten. Im Eifer blieben ein paar frühe Antworten auf Probleme jenseits des spannenden Mainstreams erstaunlich lange unhinterfragt.

Zum Beispiel eben jene der vermeintlichen Energie-Effizienz. Der Bau von Boten-RNA, das Andocken der Polymerase, das Freischaufeln des Promotors, all das kostet die Zelle Kraft oder Kapazitäten – und verständlich selbstverständlich ging man daher davon aus, dass der gesamte, am Ende ein Wunsch-Eiweiß produzierende Mechanismus nur dann angeschmissen werden dürfte, wenn es nötig ist und sonst überhaupt nicht. Anders ausgedrückt: Die Regulation der Proteinbiosynthese setze sinnvollerweise vor der Transkription ein. Eine so gründlich vereinfachte Vorstellung, dass sie einfach nur falsch ist, wie mittlerweile längst klar wurde.

Genaktivität wird tatsächlich häufig sogar "posttranslational" betrieben, also durch einen Mechanismus, bei dem erst der Einsatz des in jedem Fall fertig gebildeten Proteins reguliert wird – und, wie immer mehr aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, offenbar noch viel häufiger "posttranskriptional", also nach dem Bau der RNA-Blaupause. Gerade vor ein paar Wochen zeigte das ENCODE-Projekt (es erstellt die Encyclopaedia of DNA Elements), dass fast überhaupt kein Abschnitt der DNA – ob aktives Gen oder gar kein Gen – nicht irgendwann einmal in RNA umgeschrieben wird: RNA entsteht scheinbar ständig.

Fast schon beruhigend, dass die Forschung in den letzten Jahren auch neue Möglichkeiten aufgedeckt hat, mit denen Gene wirklich schon vor der Transkription ausgebremst werden könnten. Eine wesentliche Rolle spielt dabei die Modifikation des Verpackungsmaterials, der Histone, um die der Erbgutfaden im Zellkern raumsparend herumgewickelt ist. Um abgelesen zu werden, muss die DNA sich von diesen Histonen zunächst örtlich lösen; und um dies zu gewährleisten, modifizieren Enzyme die Histonproteine, indem sie gezielt kleine Moleküle wie Acetyl- oder Methylgruppen an strategisch entscheidenden Aminosäureresten der Histone anbringen. Diese Regulierung der Genaktivität vor einer Transkription erfolgt also über enzymatische Verpackungsmodifizierer, die Histon-Methyl- oder -Acetyltransferasen (HMT oder HAT)

Richard Young vom Whitehead Institute for Biomedical Research und Kollegen haben sich nun einmal genauer angeschaut, wie restriktiv diese enzymatisch regulierte Histonabschottung eigentlich arbeitet – und waren am Ende ihrer Untersuchungen an embryonalen Stammzellen und weiteren menschlichen Zellentypen ziemlich erstaunt. Sogar mehr als die Hälfte jener Gene, die gar nicht aktiv waren – also keine Transkriptionsprodukte produzierten – waren von HMT und HAT einfach freigeschaltet worden: Ihre Promotoren lagen frei, und die polymerasevermittelte Transkription war auch initiiert worden.

Damit ist die Histonmodifikation vor dem Transkriptionsstart offenbar weitaus weniger restriktiv als vermutet – und kommt als eine der wenig verbliebenen, stark ressourcenschonenden Varianten einer Totalblockade der Proteinbiosynthese auch nicht uneingeschränkt in Frage. Stattdessen stoppt offenbar irgend ein anderer Mechanismus später die Elongation, den Fortschritt der Transkription, nachdem die Polymerasen an die Promotoren angedockt haben und eigentlich loslegen könnten.

Wie gesagt: Der Verzicht auf die durchaus mögliche Blockade der Genaktivität über die Histonmodifikation geschieht bei vielen aller Gene und sogar bei der Mehrzahl der vermeintlich inaktiven – und muss demnach ganz offenkundig irgendeinen Vorteil haben. Hier können die Forscher allerdings bislang nur spekulieren: Vielleicht ist es bei vielen Genen notwendig, die Promotoren quasi auf Standby zu halten, indem die Histonumhüllung so aufgeweicht wird, das Promotor-Polymerase-Bindungen möglich werden und die vielen notwendigen Transkriptionsfaktoren herandiffundieren können. Dabei mag sich die Flexibilität des Proteinbau-Programms ändern und die Geschwindigkeit, mit der es angeworfen werden kann. Ein Ergebnis, dass sich gut in das Bild einfügt, das seit ein paar Jahren von der Genregulation der Zelle entsteht: Die Biologie des Zellkerns nutzt viele Möglichkeiten, um an sehr vielen Stellen ins das Geschehen eingreifen zu können. Gerade bei den sich schnell wandelnden Anforderungen in sich differenzierenden Zellen, meinen Young und Co wohl zurecht, ist diese Flexibilität offenbar von kaum zu überschätzender Bedeutung.

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