Forschenden des Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) an der japanischen Universität Kanazawa ist ein Durchbruch beim Verständnis der DNA-Verpackung von Spermien gelungen. Mit Hilfe der Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie (HS-AFM) haben sie den durch Protamin (PRM) ausgelösten Prozess der DNA-Kondensation in Echtzeit erfasst und damit wichtige Erkenntnisse über Fruchtbarkeit, Genomstabilität und künftige Anwendungen in der Medizin gewonnen. Ihre Ergebnisse sind in Nucleic Acids Research veröffentlicht.

Warum diese Entdeckung wichtig ist

In den meisten Zellen ist die DNA um Proteine, so genannte Histone, gewickelt, so dass sie locker gepackt und für die Genaktivität zugänglich ist. In Samenzellen werden die Histone jedoch durch Protamine ersetzt, die eine extreme Verdichtung der DNA ermöglichen. Diese Verdichtung ist wesentlich für den Schutz des genetischen Materials während der Befruchtung, für den effizienten Transport der DNA zur Eizelle und für die Fruchtbarkeit und Entwicklung des Embryos. Trotz ihrer Bedeutung sind die genauen Schritte, mit denen Protamine die DNA zu hochstabilen Strukturen verdichten, bisher unklar geblieben. Bisherige bildgebende Verfahren konnten nur statische Schnappschüsse aufnehmen und ließen viele Fragen unbeantwortet. Jetzt haben Richard W. Wong vom Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) der Universität Kanazawa und seine Mitarbeiter zum ersten Mal die Echtzeit-Bildgebung eingesetzt, um den gesamten Kondensationsprozess aufzudecken.

Mit Hilfe der HS-AFM konnte das Forscherteam die schrittweise Umwandlung von DNA-Strukturen bei der Bindung an Protamine direkt sichtbar machen. Die Studie stellt ein neues CARD-Modell (Coil-Assembly-Rod-Doughnut) vor, das den Kondensationsprozess in vier verschiedenen Stadien beschreibt: das Coil-Stadium, in dem die DNA lose Schleifen bildet; das Assembly-Stadium, in dem Protamine binden und die strukturelle Organisation zunimmt; das Rod-Stadium, in dem die DNA weiter verdichtet wird; und das Doughnut-(Toroid-)Stadium, in dem sich die endgültige stabile Struktur bildet. Darüber hinaus entdeckten die Forscher, dass diese Verpackung reversibel ist, was bedeutet, dass sich die Struktur je nach Umweltbedingungen verändern kann. Diese Erkenntnisse sind von großer Bedeutung für das Verständnis der männlichen Unfruchtbarkeit, der Chromatinbiologie und der Gentherapie.

Original Paper:

Spatiotemporal dynamics of protamine–DNA condensation revealed by high-speed atomic force microscopy | Nucleic Acids Research | Oxford Academic

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Redaktion: X-Press Journalistenbüro GbR

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