Das menschliche Genom enthält über 3 Milliarden Basenpaare oder Nukleotide. Diese Nukleotide, die in einer linearen Sequenz entlang der DNA (Desoxyribonukleinsäure) angeordnet sind, kodieren jedes Protein und jedes genetische Merkmal im menschlichen Körper. Diese Information ist in etwa 20.000 Genen enthalten, die überraschenderweise nur einen kleinen Bruchteil (etwa 1,5%) der gesamten DNA ausmachen. Der Rest besteht aus nicht-kodierenden Sequenzen. Die Integrität der genetischen Sequenz ist essentiell für eine normale Zellfunktion und dies wird hervorgehoben, wenn genetische Anomalien durch intrinsische genetische Reparaturmechanismen unentdeckt bleiben und zu dysfunktionalen Proteinen und verschiedenen Krankheitszuständen führen.
Im Interphasenkern sind Chromosomen schwer voneinander zu unterscheiden. Nichtsdestotrotz besetzen sie einen diskreten Raum innerhalb eines Kerns – sogenanntes Chromosomenterritorium (Grenzen von Chromosomenterritorien sind in der Abbildung A als rote gepunktete Linien angedeutet). Leichter gefärbtes Euchromatin (transkriptionell aktiv) und die Flecken von dunklerem Heterochromatin (transkriptionell still) sind dagegen leicht sichtbar. Während der Zellteilung wandeln sich Chromosomenzellen in hochverdichtete Chromosomen um, die dann deutlich voneinander unterschieden werden können. Zusammen werden mitotische Chromosomen, die im Lichtmikroskop sichtbar gemacht werden, als Karyotyp bezeichnet.
Eine Reihe von Prozessen muss daher stattfinden, die es der Zelle ermöglichen, DNA innerhalb der Grenzen des Zellkerns zu verpacken, während sie ihre Fähigkeit behält, die gesamte DNA-Sequenz zu transkribieren und zu duplizieren und ihre Integrität aufrechtzuerhalten. Dies wird durch einen aufwendigen Prozess der DNA-Kondensation erreicht, bei dem DNA beim Menschen in 46 Chromosomen (oder 23 Chromosomenpaare) verpackt wird. Die Anzahl der Chromosomen variiert von Art zu Art; zum Beispiel gibt es 40 Chromosomen (20 Paare) in Mäusen, 8 Chromosomen (4 Paare) in der gewöhnlichen Fruchtfliege und 10 Chromosomen (5 Paare) in der Arabidopsis thaliana Pflanze.Chromosomen erreichen ihren höchsten Grad an Kondensation während der Zellteilung oder Mitose, wo sie eine diskrete 4-armige oder 2-armige Morphologie annehmen, die eine ungefähr 10.000-fache Verdichtung darstellt. Obwohl diese stark kondensierte mitotische Form die häufigste Art der Darstellung von Chromosomen geworden ist, unterscheidet sich ihre Struktur während der Interphase signifikant. Im Vergleich zu mitotischen Chromosomen sind Interphasenchromosomen weniger kondensiert und besetzen den gesamten Kernraum, wodurch sie etwas schwer zu unterscheiden sind.Wie bei der Bildung von Metaphasenchromosomen wird die Verdichtung, die erforderlich ist, um einen vollständigen Satz von Interphasenchromosomen in den Kern einzupassen, durch eine Reihe von DNA-Falt-, Verpackungs- und Biegevorgängen erreicht, die durch Histone erleichtert werden, bei denen es sich um hochkonservierte basische Kernproteine handelt, die die DNA-Verdichtung ermöglichen, indem sie die negative Ladung der DNA neutralisieren. Histone ordnen sich im Allgemeinen als Octamer im Komplex mit DNA an, um das Nukleosom zu bilden. Die Kombination von DNA- und Histonproteinen, die den Kerngehalt ausmachen, wird oft als Chromatin bezeichnet.
Heterochromatin vs Euchromatin
Traditionell wird Interphasenchromatin je nach Verdichtungsgrad entweder als Euchromatin oder Heterochromatin klassifiziert. Euchromatin hat eine weniger kompakte Struktur und wird oft als eine 11 nm Faser beschrieben, die das Aussehen von ‚Perlen auf einer Schnur‘ hat, wobei die Perlen Nukleosomen darstellen und die Schnur DNA darstellt. Im Gegensatz dazu ist Heterochromatin kompakter und es wird oft berichtet, dass es aus einem Nukleosomen-Array besteht, das zu einer 30-nm-Faser kondensiert ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die 30-nm-Faser in vivo nie sichtbar gemacht wurde und ihre Existenz fraglich ist.
Euchromatin hat eine weniger kompakte Struktur, während Heterochromatin kompakter ist und aus einer Reihe von Nukleosomen besteht, die zu einer Faser kondensiert sind. Diese Ebenen der Chromatinverdichtung sind hier in zwei Chromosomen (orange und blau) dargestellt.
Mit DNA, die die genetische Information der Zelle kodiert, ist die Kondensation dieses Moleküls offensichtlich komplizierter als durch einfache 11-nm- oder 30-nm-Fasermodelle dargestellt werden kann. Die Transkriptionsmaschinerie benötigt während des gesamten Zellzyklus Zugriff auf die genetische Information, während die Replikationsmaschinerie die DNA während der S-Phase kopiert. Diese zusätzliche Komplexität zeigt sich in Schlüsselunterschieden zwischen Euchromatin und Heterochromatin, und auch in der Lokalisierung von Chromatin innerhalb des Kerns.Die Tatsache, dass bei der Kondensation von DNA intrinsische Mechanismen existieren, um den Zugang zu Transkriptions- oder Replikationszwecken zu steuern, spiegelt sich in der Anwesenheit von repetitiven DNA-Elementen wie Satellitensequenzen sowie transponierbaren Elementen innerhalb des Heterochromatins wider, insbesondere in den hochkondensierten Zentromeren und Telomeren. Diese Regionen, die als konstitutives Heterochromatin bekannt sind, bleiben während des gesamten Zellzyklus kondensiert und werden nicht aktiv transkribiert. Fakultatives Heterochromatin, das zu Euchromatin abgewickelt werden kann, ist dagegen dynamischer und kann sich als Reaktion auf zelluläre Signale und Genaktivität bilden und verändern . Diese Region enthält häufig genetische Informationen, die während des Zellzyklus transkribiert werden.