Jahrzehnte altes Rätsel gelöst: Wissenschaftler knacken den Code der DNA-Reparatur.

Forscher der britischen Forschungsinstitute des Medical Research Council haben ein seit langem bestehendes Rätsel der DNA-Reparaturmechanismen gelöst und könnten damit möglicherweise Krebsbehandlungen verbessern. Ihre Studie enthüllte, wie der Proteinkomplex FANCD2-FANCI DNA-Querverbindungen erkennt und deren Reparatur einleitet, wobei sie fortschrittliche Bildgebungsverfahren nutzten, um diesen Prozess auf molekularer Ebene zu visualisieren.

Forscher des LMS und des LMB haben herausgefunden, wie der Proteinkomplex D2-I DNA-Schäden erkennt und repariert, ein Durchbruch, der verspricht, Krebsbehandlungen zu verbessern, indem er unser Verständnis der DNA-Reparaturwege verbessert. Diese Zusammenarbeit könnte den Weg für wirksamere Therapien ebnen, indem sie auf die Mechanismen abzielt, mit denen Krebszellen Behandlungen widerstehen.

Eine Zusammenarbeit zwischen Forschern der beiden vom britischen Medical Research Council finanzierten Institute – dem Laboratory of Medical Sciences (LMS) in London und dem Laboratory of Molecular Biology (LMB) in Cambridge – hat ein jahrzehntealtes Rätsel gelöst und könnte in Zukunft zu verbesserten Krebsbehandlungen führen.

Die Arbeit, die den grundlegenden Mechanismus aufdeckte, wie eines unserer wichtigsten DNA-Reparatursysteme DNA-Schäden erkennt und ihre Reparatur einleitet, war den Forschern viele Jahre lang ein Rätsel. Mithilfe modernster Bildgebungstechniken wird visualisiert, wie sich diese DNA-Reparaturproteine ​​auf einem einzelnen DNA-Molekül bewegen, und mithilfe der Elektronenmikroskopie wird erfasst, wie sie sich an bestimmte DNA-Strukturen „anheften“. Damit eröffnet diese Forschung den Weg zu wirksameren Krebsbehandlungen.

Die Zusammenarbeit zwischen den Laboren von Professor David Rueda (LMS) und Dr. Lori Passmore (LMB) ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie #teamscience fruchtbare Ergebnisse hervorbringen kann, und unterstreicht die Bedeutung dieser beiden Institute für die Förderung von Forschung, die die grundlegenden Mechanismen der Biologie entschlüsselt, die die Grundlage für die zukünftige Umsetzung dieser Arbeit in Verbesserungen der menschlichen Gesundheit bilden werden.

Ein einzelnes DNA-Molekül (nicht direkt sichtbar) wird mithilfe mikroskopischer Perlen (die großen Kreise) erfasst. Jeder der roten, grünen oder gelben Punkte, die sich zwischen den Perlen bewegen, stellt einen FANCD2I-FANCI-Proteinkomplex dar, der entlang des DNA-Moleküls gleitet und es auf Schäden überwacht. Bildnachweis: MRC Laboratory of Medical Sciences

Die Forscher arbeiteten an einem DNA-Reparaturweg, der als Fanconi-Anämie-Weg [FA] bekannt ist und vor mehr als zwanzig Jahren entdeckt wurde. DNA wird im Laufe unseres Lebens ständig durch Umweltfaktoren wie UV-Licht der Sonne, Alkoholkonsum, Rauchen, Verschmutzung und Kontakt mit Chemikalien beschädigt. Eine Art, wie DNA beschädigt wird, ist die „Quervernetzung“, die sie daran hindert, sich zu replizieren und Gene normal auszudrücken. Um sich selbst zu replizieren und Gene zu lesen und auszudrücken, müssen sich die beiden Stränge der DNA-Doppelhelix zunächst in Einzelstränge aufspalten. Wenn DNA vernetzt wird, bleiben die „Nukleotide“ (die „Stufen“ in der Doppelhelixleiter der DNA) der beiden Stränge aneinander kleben, was dieses Aufspalten verhindert.

Die Anhäufung von DNA-Schäden, einschließlich Quervernetzung, kann zu Krebs führen. Der FA-Weg ist unser ganzes Leben lang aktiv und erkennt diese Schäden und repariert sie fortlaufend. Personen mit Mutationen, die diesen Weg weniger effektiv machen, sind weitaus anfälliger für Krebs. Obwohl die am FA-Signalweg beteiligten Proteine ​​schon vor einiger Zeit entdeckt wurden, blieb es ein Rätsel, wie sie die vernetzte DNA identifizierten und den Prozess der DNA-Reparatur einleiteten.

Das Team der Schwesterinstitution des MRC LMS, dem LMB in Cambridge, unter der Leitung von Lori Passmore hatte zuvor festgestellt, dass der Proteinkomplex FANCD2-FANCI (D2-I), der in einem der ersten Schritte des FA-Signalwegs wirkt, sich an DNA klammert und so die DNA-Reparatur an den Vernetzungen einleitet. Es blieben jedoch wichtige Fragen: Wie erkennt D2-I vernetzte DNA und warum ist der D2-I-Komplex auch an anderen Arten von DNA-Schäden beteiligt?

Die in der Zeitschrift Nature veröffentlichte Forschung verwendete eine Kombination modernster wissenschaftlicher Techniken, um zu zeigen, dass der D2-I-Komplex entlang der doppelsträngigen DNA gleitet und deren Integrität überwacht. Außerdem wurde elegant visualisiert, wie er erkennt, wo er anhalten muss, sodass sich die Proteine ​​bewegen und an diesem Punkt miteinander verbinden können, um die DNA-Reparatur einzuleiten.

Artur Kaczmarczyk und Korak Ray in David Ruedas Gruppe für Einzelmolekülbildgebung verwendeten in Zusammenarbeit mit Pablo Alcón in Lori Passmores Gruppe eine hochmoderne Mikroskopietechnik namens „korrelierte optische Pinzette und Fluoreszenzbildgebung“, um zu untersuchen, wie der D2-I-Komplex entlang eines doppelsträngigen DNA-Moleküls gleitet.

Mithilfe einer optischen Pinzette konnten sie ein einzelnes DNA-Molekül zwischen zwei Perlen fangen, was es ihnen ermöglichte, die DNA präzise zu manipulieren und mit ausgewählten Proteinen zu inkubieren. Mithilfe von fluoreszenzmarkiertem D2-I und Einzelmolekülbildgebung beobachteten sie, wie einzelne D2-I-Komplexe an DNA binden und entlang dieser gleiten und dabei die Doppelhelix abtasten. Sie entdeckten, dass die FA-Klemme die Querverbindung zwischen den beiden DNA-Strängen nicht direkt erkennt, sondern stattdessen