mini|250px|Oben: Zellkern eines menschlichen Fibroblasten, in dem alle 24 verschiedenen Chromosomen (1 – 22, X und Y) per Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) mit einer unterschiedlichen Kombination von insgesamt 7 Fluorochromen angefärbt wurden. Gezeigt ist eine mittlere Ebene in einem deconvolvierten Bildstapel, der mit Weitfeld-Mikroskopie aufgenommen wurde. Unten: Falschfarbendarstellung aller Chromosomenterritorien, die in dieser Fokusebene sichtbar sind, nach Computer-Klassifikation. mini|250px|Zellkern eines Fibroblasten der Maus. Durch Fluoreszenz-in-situ Hybridisierung wurden die Territorien der Chromosomen 2 (rot) und 9 (grün) angefärbt. DNA-Gegenfärbung in Blau.
Ein Chromosomenterritorium ist der Bereich innerhalb eines Zellkerns, der von einem Chromosom in der Interphase eingenommen wird. Chromosomenterritorien haben variable Formen, die sich nicht nur zwischen verschiedenen Chromosomen, sondern auch für dasselbe Chromosom von Kern zu Kern unterscheiden. Es handelt sich nicht um feste Gebilde; andere Moleküle (wie Proteine) können durch sie hindurch diffundieren. Auch die Arme von Chromosomen sowie einzelne Chromosomenbanden bilden abgegrenzte Bereiche. Chromosomenterritorien sind dynamische Strukturen, deren Gene bei Einsetzen der Transkription verschoben werden können.
Geschichte Bereits in den 1880er Jahren hatte Carl Rabl erstmals vorgeschlagen, dass sich Chromosomen zwischen zwei Kernteilungen (Mitose) nicht vermischen, sondern auch im Zellkern der Interphase voneinander getrennt sind. Er schlug für den Bereich eines Chromosoms den Begriff Territorium vor. Rabls diesbezügliche Ansichten wurden von Theodor Boveri am Anfang des 20. Jahrhunderts unterstützt. Als im späteren Verlauf des 20. Jahrhunderts die Elektronenmikroskopie Einblicke in biologische Präparate von zuvor ungekannter Auflösung erlaubte, war es nicht möglich, im Zellkern Grenzen zwischen dem Chromatin einzelner Chromosomen zu beobachten. Daher setzte sich zunehmend die Ansicht durch, dass sich Chromatinfäden der verschiedenen Chromosomen innerhalb des Zellkerns stark vermischen, ähnlich wie lange Spaghetti auf einem Teller.
Hinweise, dass Chromosomen doch Territorien bilden, ergaben sich in den 1970er Jahren aus Experimenten, in denen Zellkerne mit UV-Lasern bestrahlt wurden.C. Zorn, Thomas Cremer, Christoph Cremer, Jürgen Zimmer: Laser UV microirradiation of interphase nuclei and post-treatment with caffeine. A new approach to establish the arrangement of interphase chromosomes. In: Hum Genet 35, 1, 1976: 83–89. PMID 1002167 Bei diesen Versuchen wurde jeweils nur ein kleiner Teil des Zellkerns lebender Zellen bestrahlt. Wären Chromosomen tatsächlich wie Spaghetti im ganzen Kern verteilt, so hätten bei der Bestrahlung alle oder doch zumindest die meisten Chromosomen getroffen werden müssen. In der auf die Bestrahlung folgenden Mitose war jedoch nachweisbar, dass nur wenige Chromosomen Strahlenschäden aufwiesen, die Mehrheit aber unversehrt war. Dies sprach für eine regional begrenzte Ausbreitung der Chromosomen im Zellkern. Ein direktes Sichtbarmachen von Chromosomenterritorien gelang etwa zehn Jahre später mit Hilfe der Fluoreszenz-in-situ-HybridisierungMargit Schardin, Thomas Cremer, H D Hager, M Lang: Specific staining of human chromosomes in Chinese hamster x man hybrid cell lines demonstrates interphase chromosome territories. In: Hum Genet 71, 4, 1985: 281–287. PMID 2416668Laura Manuelidis: Individual interphase chromosome domains revealed by in situ hybridization. In: Hum Genet 71, 4, 1985, 288–293. PMID 3908288 (Siehe auch Abbildungen).
Vorkommen Der Nachweis von Chromosomenterritorien erfordert, dass Sonden für eine Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung verfügbar sind, die genau die DNA eines Chromosoms enthält. Derartige Sonden sind aufwändig herzustellen und daher nur für einige Arten verfügbar. Chromosomenterritorien wurden in Zellkernen des Menschen und aller untersuchten Tiere und Pflanzen gefunden. Zu den untersuchten Arten gehören etliche Primaten, Mäuse (Hausmaus und andere) und das Haushuhn. Bei Pflanzen war der Nachweis schwierig, da lange Zeit keine geeigneten Sonden zur Verfügung standen. Auch hier ließen sich Chromosomenterritorien letztlich nachweisen, beispielsweise in der häufig für Versuche verwendeten Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana)Martin A. Lysak, Ales Pecinka, Ingo Schubert: Recent progress in chromosome painting of Arabidopsis and related species. In: Chromosome Res 11, 3, 2003: 195–204. doi:10.1023/A:1022879608152..
Die weitere Verbreitung bei den Eukaryoten ist nicht sicher. In Organismen mit kleinen Chromosomen, wie etwa der Hefe Saccharomyces cerevisiae, ist ein Nachweis aufgrund der geringen Chromosomengröße und der begrenzten Auflösung des Lichtmikroskops kaum möglich. Es ist denkbar, dass bei solch kleinen Chromosomen eine Durchmischung der Chromatinfäden verschiedener Chromosomen stattfindet und es nicht zur Ausbildung von Territorien kommt.
Anordnung Die Anordnung der Chromosomenterritorien im Zellkern ist sehr variabel. Wenn jedoch viele Zellkerne untersucht werden, lässt sich feststellen, dass bestimmte Muster häufiger auftreten als andere. Die Territorien genreicher Chromosomen sind häufiger in der Mitte des Kerns zu finden, als solche genarmer Territorien. Solch eine nicht zufällige radiale Verteilung der Territorien wurde beispielsweise in menschlichen Lymphozyten beschrieben, in denen die ähnlich großen, aber sehr genreichen beziehungsweise sehr genarmen Chromosomen 18 und 19 untersucht wurden. Diese Beobachtungen einer radialen Anordnung im Kern abhängig von der Gendichte wurde durch Analysen bestätigt, die alle menschlichen Chromosomen umfassen. Es gibt jedoch ausgeprägte Zell-zu-Zell-Variationen von Nachbarschaftsanordnungen dieser Territorien in allen bisher untersuchten Zelltypen. Diese Gendichte-abhängige Verteilung von Chromosomenterritorien wurde auch in Zellkernen von Mäusen gefunden, so dass sie über mindestens eine Zeitspanne von 60 Millionen Jahre konserviert wurde. Dies spricht für einen signifikanten Vorteil dieser Anordnung.
Die Frage nach der biologischen Bedeutung dieser Anordnung versucht die „Bodyguard“-Hypothese von T.C. Hsu zu beantworten. Sie besagt, dass genreiches Material im Zellkerninneren vor Schädigungen von außen geschützt ist. Hsu ging davon aus, dass genarmes, konstitutives peripheres Heterochromatin das Euchromatin vor chemischen Mutagenen und Röntgenstrahlung schützen kann, da seine Position während der Interphase angrenzend an die Kernmembran liegt. Es ist daher so positioniert, dass es mehr Umweltrisiken absorbiert als zentrales Euchromatin und kann so die DNA dort vor Schäden und Mutationen schützen. Die genarmen Chromosomen-Abschnitte am Rande des Zellkerns könnten auch als Schutz gegen externe mechanische Einwirkungen dienen.
Durch die Anhäufung vieler aktiver Gene im Inneren des Zellkerns könnte eine gemeinsame Regulierung dadurch eine Rolle spielen, indem Transkriptionsmaschinerien, Splicingfaktoren usw. geteilt werden. Im Inneren des Zellkerns wurden Transkriptionsfaktoren gefunden, die ihre Gene in direkter Nachbarschaft finden. Dadurch könnte die Expression einfacher reguliert werden und effizienter vor sich gehen.
Mechanismus Es gibt verschiedene Erklärungen für diesen Mechanismus, der für diese spezielle Anordnung von Chromatin im Zellkern verantwortlich ist. Das biophysikalische Konzept des „Macromolecular crowding“ von Zimmerman und Minton besagt eine Veränderung der molekularen Interaktionen als Antwort auf eine Veränderung der Crowding-Konditionen. „Crowding“ wird hier definiert als das Vorkommen von Makromolekülen, die ein bestimmtes Volumen einnehmen. Sie vermindern damit das verfügbare Volumen für andere Moleküle. Die ursprünglich weit verteilten Moleküle formen kompakte Kompartimente in einem von Molekülen überfüllten System. Eine dichtere Kompaktierung führt zu einem weniger ausgeschlossenen Volumen, in dem sich die Moleküle bewegen können. Dadurch steigt die Entropie des gesamten Systems. Die Bindung von Heterochromatin an die Lamina des Zellkerns könnte ebenso eine Rolle bei der Anordnung von Chromatin im Zellkern spielen. Ist dieser Mechanismus gestört, kann es zu gravierenden Krankheiten kommen.
Aufbau mini|DNA-Strukturen Die DNA liegt im Zellkern nicht als freies, nacktes Molekül vor, sondern als Chromatin. In einem ersten Schritt wird sie mit Histonen zu Nukleosomen verpackt. Die Bildung der Nukleosomen ergibt eine 6-fache Verkürzung. Varianten von Histonen, die in Nukleosomen vorhanden sein können, posttranslationale Modifikationen und andere Markierungen können die DNA-Zugänglichkeit für die Transkription auf dieser Verpackungsebene steuern. Eine weitere Chromatinkondensation zu 30 nm Fasern (d. h. in Zickzack- oder Solenoid-Form) wurde vorgeschlagen, ist aber nicht sicher. Die Struktur und Organisation von Chromatinschleifen höherer Ordnung innerhalb eines Chromosomenterritoriums ist ebenfalls unklar.
Es gibt Hinweise, dass das Chromatin in Einheiten höherer Ordnung mit jeweils ~1 Mb Länge verpackt ist. Einzelne ∼1-Mb-Domänen könnten aus kleineren Schleifen-Domänen aufgebaut sein, während größere Chromatin-Cluster aus Clustern mehrerer ∼1-Mb-Domänen bestehen könnten. Chromosomenterritorien, die durch eine Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (3D-FISH) visualisiert werden, erscheinen als Strukturen mit vielfältigen Formen, die aus Chromatin-Domänen höherer Ordnung bestehen.
Die ∼1 Mb-Chromatin-Domänen könnten die grundlegende Struktureinheiten sein, die Chromosomenterritorien aufbauen. Diese Domänen wurden zuerst in S-Phasen-Kernen als Replikationsschwerpunkte dargestellt und erwiesen sich später als dauerhafte Chromatinstrukturen höherer Ordnung. Bislang ist weder ihre ultrastrukturelle Organisation noch die Verpackung von Chromatin, das diese Bereiche verbindet, vollständig geklärt.
Bei Chromosomenterritorien kann man zeigen, dass sie in Areale der frühen DNA-Replikation aufgeteilt sind. Diese haben gendichte 1Mb-Domänen, die im Inneren der Zellkerne liegen. Um sie herum liegen genärmere Abschnitte mit mittlerem bis spätem Replikationszeitpunkt. Diese liegen mehr an der Kernperipherie und haben Kontakt zur Kernlamina. Um den Nukleolus liegen ebenfalls genärmere 1Mb-Domänen mit einem späten Replikationszeitpunkt. Für diese höhere Ordnung innerhalb des Zellkerns könnte eine Hierarchie der Chromatinfibern verantwortlich sein.
Modelle Mit der Entwicklung von biochemischen Hochdurchsatztechniken wie 3C („Chromosom conformation capture“) und 4C („Chromosom conformation capture-on-chip“ und „circular chromosome conformation capture“) wurden zahlreiche räumliche Wechselwirkungen zwischen benachbarten chromosomalen Abschnitten beschrieben. Diese Beschreibungen wurden ergänzt durch die Erstellung von räumlichen Karten für das gesamte Genom. Zusammen mit den Daten von Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungen haben diese Beobachtungen und physikalische Simulationen zu verschiedenen Modellen der räumlichen Organisation von Chromosomenterritorien geführt.
Sowohl das ICN-Modell als auch die CT-IC-Modelle sind in der Lage, funktionelle Chromatin-Interaktionen zu erklären. Auch können beide Modelle intra- und interchromosomale Umlagerungen erklären. Forscher präferieren die Chromatin-Domänenansicht für die Kernorganisation, so wie es das CT-IC Modell liefert. Dies basiert auf der Überzeugung, dass dieses Modell am besten zu den aktuellen experimentellen Erkenntnissen passt. Obwohl die hier vorgestellten Modelle in einigen Punkten nicht übereinstimmen, schließen sie sich keineswegs gegenseitig aus.
Interchromosome Domain Model (ICD)