Kernmatrix

Vielzellige Organismen sind durch differenzierte, das heißt spezialisierte Zellen gekennzeichnet, die ihrerseits über eine charakteristische Architektur verfügen, sowie über Wege, miteinander zu kommunizieren. Beide Komponenten – Aufbau und Wechselwirkung – werden durch Protein-Netzwerke vermittelt, die über Kontaktstellen miteinander in Verbindung stehen. Von außen (Extrazellularraum) nach innen (Zellkern) sind diese Netzwerke:

• die extrazelluläre Matrix, zumeist spezialisierte Kollagen-Geflechte, die von der eingebetteten Zelle selbst produziert und sezerniert werden,
• das Cytoskelett aus Mikrotubuli, Actin- oder Mikrofilamenten und Intermediärfilamenten,
• sowie das Kernskelett, auch Kernmatrix genannt. Herausragende Komponenten sind hier die Lamine, die sich in der Kernhülle und, wie man jetzt weiß, auch im Inneren des Zellkerns befinden, und SAF-A (scaffold-attachment factor A, auch als hnRNP-U beschrieben). Daneben sind zellspezifische Faktoren enthalten, denen neuerdings eine Bedeutung bei der Diagnose maligner Entartungen zukommt.

Damit sind kernhaltige Zellen höherer Lebewesen (Eukaryoten) deutlich komplizierter aufgebaut als Bakterienzellen. Der grundlegende Unterschied ist die Kernmembran, die das Karyoplasma mit Kern-DNA vom Cytoplasma separiert. Der Durchmesser des Zellkerns, beträgt je nach Zelle und Organismus lediglich 5 bis 30 Mikrometer. Jedes der 46 Chromosomen einer menschlichen Zelle besteht jedoch aus 48 bis 240 Millionen Basenpaaren mit einer Gesamt-Konturlänge von über 2 Metern. Chromosomen während der Kernteilung haben jedoch nur eine Länge von einigen Mikrometern. Sie sind demnach um einen Faktor von etwa 10000 verdichtet. Dies wird durch das Chromatin bewerkstelligt und welches einen Komplex aus DNA, RNA und Proteinen beschreibt, der zusammen eine gesetzmäßige Faltung in mehreren Größenordnungen ermöglicht. Das 1974 entdeckte Nucleosom ist ein Komplex aus DNA und Proteinen (Histonen), um die die DNA in jeweils etwa zwei Windungen gewickelt ist. Die insgesamt 25 Millionen Nucleosomen einer Säugerzelle wiederum sind in Form von 30.000 schlaufenförmigen Chromatindomänen organisiert. Einem klassischen Modell zufolge wird diese Schlaufenorganisation durch Anheftung bestimmter DNA-Elemente, die S/MARs (scaffold/matrix attachment Regionen) genannt werden, an welches das Proteinrückgrat des Zellkerns aufrechterhalten. Teile der DNA liegen in kondensierter Form vor und sind für die RNA-Transkription nicht zugänglich und tragen somit nicht zum Phänotypen der Zelle bei. Dieser Teil wird Heterochromatin genannt. Analog zum Heterochromatin gibt es das Euchromatin, welches frei zugänglich für den RNA Polymerase Komplex sowie Transkriptionsfaktoren ist. Der Übergang von Hetero- zu Euchromatin erlaubt damit eine vielfältige epigenetische Regulation der Genexpression.

Neuere Untersuchungen weisen auf eine beträchtliche Dynamik dieses komplexen Gebildes hin, die von der Art und dem Differenzierungszustand der Zelle mitbestimmt wird.