Die räumliche Anordnung subchromosomaler Bereiche mit unterschiedlicher Gendichte im Interphasezellkern

Die Zellkernarchitektur beschreibt die räumliche Anordnung der
linearen Gensequenz im dreidimensionalen Zellkern. Die Beobachtung
einer geordneten räumlichen Strukturierung und radialen Verteilung
der Gene und Chromosomen legt nahe, daß die Zellkernarchitektur
Basis und Ausdruck von höheren Organisations- und
Regulationsmechanismen ist. Chromosomen liegen im
Interphasezellkern in definierten umschriebenen Regionen,
sogenannten Chromosomenterritorien vor. Aus früheren Untersuchungen
weiß man um die Gendichte-korrelierte radiale Anordnung dieser
Chromosomenterritorien. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der
Frage, inwieweit die Gendichte eines subchromosomalen DNA-Bereiches
(also eines Teilabschnittes eines Chromosoms) die Position dieses
DNA-Abschnittes in Bezug auf das Chromosomenterritorium und den
Interphasezellkern beeinflußt. Mittels
Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung an 2D- und 3D-fixierten
Zellkernen (2D/3D-FISH) und Epifluoreszenz- bzw. konfokaler
Mikroskopie wurden spezifische subchromosomale Bereiche
unterschiedlichen Gengehalts der Chromosomen 1 und 12 differentiell
dargestellt. Beide Chromosomen zeichnen sich durch eine distinkte
Gliederung in sehr genarme und sehr genreiche Areale aus. Als
DNA-Sonden wurden fluoreszenzmarkierte Pools aus exakt kartierten
BAC-Klonen von Chromosom 1 und 12 eingesetzt, die entweder einer R-
oder G-Bande oder alternativ einem chromosomalen Abschnitt hoher
oder niedriger Gendichte zugeordnet waren. Um mögliche andere, von
der Gendichte unabhängige Einflüsse auf die radiale Verteilung
subchromosomaler Bereiche wie z.B. die Kerngestalt zu
identifizieren, wurden die Versuche an drei unterschiedlichen
menschlichen Zellarten, Lymphozyten, Fibroblasten und
Coloncarcinomzellen der Zellinie SW480, sowohl während der S-Phase
als auch nach Verlassen des Zellzyklus in der G0-Phase
durchgeführt. Die quantitative Evaluation der Anordnung und der
radialen Verteilung der DNA-Segmente in Bezug auf das
Chromosomenterritorium bzw. auf den Kern erfolgte an
3D-Rekonstruktionen von lichtoptischen Serienschnitten mittels
zweier unabhängiger computergestützter Auswertungsprogramme. Es
konnte gezeigt werden, daß in den annähernd runden Lymphozyten
radiale Verteilungsunterschiede in Korrelation zur Gendichte
gegeben sind: Genarme Bereiche des Chromosoms 12 ordnen sich
unabhängig vom Zellzykluszeitpunkt in Bezug auf den geometrischen
Mittelpunkt des Interphasekerns peripherer an als genreiche. Dieser
Befund stützt die Hypothese, daß genreiche Regionen von Chromosomen
eher zum Zellkernmittelpunkt hin präsentiert, genarme dagegen in
die Peripherie verlagert werden. In der S-Phase konnte eine
ebensolche radiale Verteilung auch in Bezug auf das
Chromosomenterritorium gefunden werden. Hier wird die genarme DNA
schwerpunktmäßig an den Rand des Territoriums verschoben. Anders
verhält es sich bei den adhärent wachsenden, flachen humanen
Fibroblasten. Hier konnte kein signifikanter Unterschied in der
dreidimensionalen, räumlichen Anordnung genarmer und genreicher
DNA-Abschnitte gefunden werden, und zwar weder in Bezug auf den
Kern noch auf das Territorium. SW480-Tumorzellen sind rundliche bis
ellipsoide Zellen. Ähnlich den Lymphozyten zeigen sie klare radiale
Anordnungsunterschiede von Bereichen des Chromosoms 12, sortiert
nach der Gendichte. Allerdings sind diese Unterschiede weniger
stark ausgeprägt als bei den Lymphozyten. So konnte nur in Bezug
auf das Chromosomenterritorium ein signifikanter radialer
Verteilungsunterschied gefunden werden. In Bezug auf den Kern sieht
man eine deutliche, aber statistisch nicht signifikante Tendenz,
genarmes Chromatin in die Peripherie zu verlagern. Insgesamt
belegen die Ergebnisse dieser Doktorarbeit, daß das Prinzip der
Korrelation von Gendichte und radialer Verteilung grundsätzlich
auch für subchromosomale Bereiche gilt. Es läßt sich jedoch
feststellen, daß bei der radialen Verteilung von
Chromosomenabschnitten weitere, noch nicht bekannte Faktoren eine
Rolle spielen und sie nicht ausschließlich durch die Gendichte
bestimmt wird.