Ein Hygieneprogramm für Chromosomen

Selbst im Altbekannten gelingen manchmal Entdeckungen: Forscher:innen der ETH Z¨¹rich identifizierten vor kurzem in S?ugetierzellen ein seltenes und bisher unbekanntes Zellkompartiment. Sie nennen es Exklusom. Es enth?lt ringf?rmige DNA-Abschnitte, sogenannte Plasmide. Ihre Entdeckung haben sie soeben in der Fachzeitschrift Molecular Biology of the Cell vorgestellt.

Gefunden haben die Forschenden das neue, bisher noch nicht beschriebene Kompartiment im Zellplasma. Das ist eine Besonderheit, denn normalerweise bewahren eukaryotische Zellen (aus Lebewesen mit einem Zellkern) die meiste DNA im Zellkern auf, wo sie in Chromosomen organisiert ist.

Die Plasmide, die sich im Exklusom ansammeln, stammen von ausserhalb der Zelle oder von den Endkappen der Chromosomen, den Telomeren. Vor allem in gewissen Krebszellen werden dort regelm?ssig diese sich wiederholende DNA-Bereiche abgeschn¨¹rt und zu Ringen zusammengef¨¹gt. Diese tragen aber keinen Bauplan f¨¹r Proteine. Der Zellkern sortiert solche DNA-Ringe und die von aussen stammenden Plasmide aus und verfrachtet sie ins Zellplasma, wie die ETH-Forscher:innen in ihrer neuen Publikation erstmals zeigen.

Die Zelle kann also eigene und noch ben?tigte DNA von fremder oder vermutlich nicht mehr ben?tigter DNA unterscheiden und letztere aus dem Zellkern entfernen. ?Das ist eine wichtige Hygienefunktion des Zellkerns, die die Chromosomen sch¨¹tzt. K?nnen Plasmide in der Zelle nicht isoliert werden, k?nnen sie theoretisch in die Chromosomen eingebaut werden. Wahrscheinlicher ist aber, dass Plasmid-Gene, die von Viren oder Bakterien stammen, im Zellkern in Proteine ¨¹bersetzt werden. Das bringt die Zellphysiologie durcheinander?, sagt Studienleiterin Ruth Kroschewski vom Institut f¨¹r Biochemie der ETH Z¨¹rich.

F?rdert das Exklusom Autoimmunreaktionen?

Welche weiteren Funktionen das Exklusom hat, ist noch unklar. Es k?nnte laut Kroschewski etwas mit dem Immunged?chtnis der Zelle zu tun haben. Seit einigen Jahren untersuchen Biolog:innen weltweit ein spezielles Protein, das sich an die DNA andockt, besonders an jene im Zellplasma. Mittlerweile konnte gezeigt werden, dass sich dieses Protein auch an DNA-Ringe heftet. Dabei l?st es m?glicherweise eine Signalkaskade aus, die die Zellen dazu bringt, Entz¨¹ndungsbotenstoffe herzustellen und auszusch¨¹tten. Diese Botenstoffe signalisieren dem K?rper, dass es ein Problem mit einem Erreger wie einem Virus geben k?nnte und eine Immunantwort n?tig ist.

Kroschewski und ihr Team halten es f¨¹r m?glich, dass das Protein an die DNA-Ringe im Exklusom andockt und so f¨¹r lange Zeit eine Infektion vort?uscht. ?Der K?rper erf?hrt, dass das Problem weiter besteht?, sagt die Forscherin. Das Immunsystem m¨¹sse dann auf den Entz¨¹ndungsbotenstoff reagieren. ?Und weil die entz¨¹ndungsf?rdernde Signalkaskade nicht abklingt, sondern weiterl?uft, k?nnte das chronische Entz¨¹ndungen und Autoimmunreaktionen wie den systemischen Lupus erythematodes beg¨¹nstigen?, erkl?rt Kroschewski.

Evolution?res ?berbleibsel

Die ETH-Forscherin geht davon aus, dass das Exklusom evolution?r alt ist und aus der Fr¨¹hzeit der Eukaryoten stammt. Nach g?ngigen Vorstellungen ging die erste eukaryotische Zelle aus der Verschmelzung eines fr¨¹hen Bakteriums mit einem Archaeon, einem ebenfalls bakterien?hnlichen Einzeller, hervor. Die ringf?rmige DNA, die aus zwei unterschiedlichen Organismen stammte, musste organisiert werden und vor dem Abbau gesch¨¹tzt werden. Dazu entwickelte sich im Laufe der Evolution ein Mechanismus, der daf¨¹r sorgt, dass die DNA-Molek¨¹le automatisch in eine Membranh¨¹lle gepackt werden ¨C so wie es bei dem jetzt entdeckten Exklusom der Fall ist.

Denn die H¨¹lle des Exklusoms ?hnelt zwar der des Zellkerns, ist aber deutlich einfacher, wie Kroschewski erkl?rt: ?Die H¨¹lle des Exklusosms weist L¨¹cken auf, die bei der Kernh¨¹lle nur am Anfang ihrer Bildung zu beobachten sind.? Diese L¨¹cken werden bei der Kernh¨¹lle mit der Zeit geschlossen oder werden mit spezifischen Proteinporen gef¨¹llt. Die H¨¹lle des Exklusoms hingegen entwickelt sich nicht weiter. ?Vielleicht ist das Exklusom der erste Versuch, einen Zellkern zu bilden?, sagt Kroschewski.

Unklar aber ist, warum Plasmide nur in eine unvollst?ndige Membranh¨¹lle verpackt werden. ?Es scheint, dass nur chromosomale DNA f¨¹r eine vollst?ndige Kernh¨¹lle ¡®qualifiziert¡¯ ist, nicht aber nicht-chromosomale DNA?, sagt Kroschewski. Externer (ringf?rmiger) DNA und Plasmiden, die intern aus Telomersequenzen selbst hergestellt werden, fehle wohl ein solches Qualifikationsmerkmal. ?Was dieses Merkmal ist, ist unbekannt?, sagt die Biologin ¨C wie so vieles an diesem neu entdeckten Organell. Die ETH-Zellbiologin und ihr Team wollen deshalb in n?chster Zeit die Ver?nderungen der Plasmid-DNA in der Zelle und die ?Lizenz? f¨¹r den Transport der Plasmide ins Exklusom untersuchen, um dessen Geheimnissen auf die Spur zu kommen.