Genomstruktur

DNA-Architektur

genome organisation

Unter Genomstruktur versteht man beim Menschen die Eigenschaften und Struktur der Gesamtheit an genetischen Informationen in Form von DNA.

Das humane Genom besteht aus 2 Einzelgenomen, nämlich dem Kerngenom und dem mitochondrialen Genom.

Das mitochondriale Genom ist dabei das kleinere mit 16.569 Basenpaaren. Es besteht aus einem zirkulären DNA-Doppelstrang und kodiert insgesamt 37 Gene für mitochondriale Funktionen. So kodieren 13 mRNAs für Proteine oder Untereinheiten der Atmungskette, 22 Gene für tRNAs und 2 Gene für mitochondriale ribosomale RNAs (12S und 16S). Im Gegensatz zum einfach vorhandenen Kerngenom ist das mitochondriale Genom mit ca. 10–15 Molekülen pro Mitochondrium und, gewebeabhängig, bei 100–10.000 Mitochondrien pro Zelle in großer Anzahl vorhanden, was die Aktivität und den Energiebedarf der Zelle reflektiert. Mitochondrien werden als semiautonom bezeichnet, da ein Großteil der Strukturproteine durch das Kerngenom kodiert wird.

Das humane Kerngenom besteht im Gegensatz dazu aus ca. 3270 Mb DNA, die in unterschiedlich großen, linearen DNA-Abschnitten in 22 autosomalen Chromosomen sowie 1 gonosomalem Chromosom, entweder X oder Y, im haploiden Zustand vorliegen. Der haploide Zustand wird nur in den Keimzellen erreicht, während in den übrigen Zellen der diploide Zustand die Norm ist. Die DNA kodiert für ca. 30.000 Gene, von denen ca. 10 % nicht translatierte RNA-Gene sind. Während der Genomevolution hat sich das menschliche Genom durch Genomduplikationen und auch Abschnittsduplikationen vermehrt. Dies führte einerseits zur Entwicklung von Sequenzfamilien, die aufgrund ihrer Diversität auch einen variablen Phänotyp bedingen. Andererseits entwickelten sich aber auch funktionslose Sequenzen und geschätzt 20.000 Pseudogene.

Die DNA wird weiter unterteilt in ca. 3000 Mb transkriptional aktives Euchromatin und ca. 200 Mb konstitutives Heterochromatin, das dauerhaft kondensiert und transkriptional inaktiv ist. Das konstitutive Heterochromatin findet sich in den Zentromerbereichen aller Chromosomen sowie in den kurzen Armen der akrozentrischen Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22, im langen Arm der Chromosomen 1, 9, 16 sowie prominent im langen Arm des Y-Chromosoms.

Das Euchromatin liegt in der Zelle überwiegend entspiralisiert vor, lediglich bei der Replikation und Zellteilung kondensieren diese DNA-Stränge zu den bekannten Metaphasechromosomen.

Die Nukleotidzusammensetzung der DNA ist inhomogen. So beträgt der Anteil der energetisch angereicherten GC-Paarungen im Euchromatin zwar durchschnittlich 41 %, kann jedoch auf individuellen Chromosomen abschnittsweise zwischen 38–50 % schwanken.