24. Dezember 2009
LA JOLLA, CA – Um unsere DNA zu bewahren, haben Zellen ein kompliziertes System zur Überwachung und Reparatur von DNA-Schäden entwickelt. Doch wie genau das anfängliche Schadenssignal in eine Reparaturreaktion umgewandelt wird, bleibt unklar. Forscher des Salk Institute for Biological Studies haben nun ein entscheidendes Teil des komplexen Puzzles gelöst.
In einem demnächst erscheinenden Artikel in der Ausgabe vom 24. Dezember Molekulare ZelleSie zeigen, dass ein Protein namens CtIP eine wesentliche Rolle im „Signal-zu-Reparatur“-Umwandlungsprozess von DNA-Schäden spielt. „Die Fähigkeit, beschädigte DNA zu reparieren, ist äußerst wichtig; Die Zelle muss wissen, wann sie einen solchen Schaden erlitten hat, und entsprechend reagieren“, erklärt Tony Jäger, Ph.D., Professor der American Cancer Society im Labor für Molekular- und Zellbiologie und Direktor des Salk Institute Cancer Center, der die Studie leitete. „Wenn dies nicht geschieht, kann dies katastrophale Folgen haben.“
Die DNA in unseren Zellen ist ständigem Angriff durch reaktive Chemikalien ausgesetzt, die als Nebenprodukte des Zellstoffwechsels entstehen. Darüber hinaus wird es durch Röntgenstrahlen, ultraviolette Strahlung der Sonne und umweltbedingte Karzinogene wie Tabakrauch angegriffen. Einige Studien gehen davon aus, dass die DNA in einer einzelnen menschlichen Zelle durch diese kontinuierliche Bombardierung mehr als 10,000 Mal am Tag beschädigt wird.
Wenn der Schaden nicht ordnungsgemäß repariert wird, kommt es zu Mutationen, die mit der Zeit Krebs verursachen können. „Infolgedessen besteht bei Personen mit einer angeborenen Beeinträchtigung der DNA-Reparaturfähigkeit häufig ein erhöhtes Krebsrisiko“, bemerkt der Erstautor Zhongsheng You, Ph.D., ein ehemaliger Postdoktorand am Salk Institute und jetzt Assistenzprofessor an der Washington University Medizinische Fakultät in St. Louis.
DNA besteht aus zwei ineinander verschlungenen Strängen, so dass beim Aufbrechen der DNA zwei Enden zum Vorschein kommen, eines von jedem Strang. Um den DNA-Bruch zu reparieren, wird ein Strang wie ein loser Faden abgeschnitten – oder reseziert –, sodass nur der zweite Strang übrig bleibt. Dieser freigelegte Strang sucht dann nach einer Kopie von sich selbst (die sich auf seinem Schwesterchromosom befindet) und „fotokopiert“ an der gebrochenen Region vorbei, repariert die DNA und zieht sich wieder zusammen.
In Hefe ist CtIP für die Resektion des gebrochenen Endes erforderlich, und da es auch an Stellen mit DNA-Schäden in menschlichen Zellen rekrutiert wird, wollte Hunters Team wissen, ob CtIP dort eine ähnliche Rolle spielt. Um das herauszufinden, entzogen sie menschlichen Zellen CtIP und verursachten DNA-Schäden. Sie stellten fest, dass die Zellen ohne CtIP die beschädigten DNA-Stränge nicht mehr zurückschneiden konnten, was den gesamten Reparaturprozess abrupt zum Stillstand brachte.
„Es sieht so aus, als ob die CtIP-Rekrutierung ein sehr wichtiger Kontrollpunkt im DNA-Reparaturprozess ist“, stellt You fest. „Sobald CtIP rekrutiert ist, beginnen Resektion und Reparatur, daher ist die Regulierung der CtIP-Rekrutierung eine Möglichkeit, die DNA-Reparatur selbst zu regulieren.“
Um den Vorgang besser zu verstehen, fragten die Forscher anschließend, welche Regionen des CtIP-Proteins daran beteiligt sind, es an die gebrochenen DNA-Enden zu binden. Durch das Testen kleiner Teile des Proteins fanden sie heraus, dass eine Region im zentralen Teil von CtIP bei der Rekrutierung des Proteins hilft. Sie nannten diese Region die „Damage Recruitment“ (DR)-Domäne.
Weitere Studien legten nahe, dass die DR-Domäne innerhalb von CtIP normalerweise im gefalteten Protein verborgen ist. Erst wenn die Zelle ein DNA-Schadenssignal sendet, wird die DR-Domäne von CtIP freigelegt, und nur dann kann CtIP an die beschädigte DNA binden. Auf diese Weise ist CtIP wie ein Springmesser, das Zellen nur bei DNA-Schäden öffnet.
Die Autoren glauben, dass die Freilegung der DR-Domäne von CtIP und ihre Rekrutierung an der Stelle der DNA-Schädigung eine Kettenreaktion auslöst, die zur DNA-Reparatur führt, und sie wollen nun genau verstehen, was CtIP tut, um den DNA-Reparaturprozess zu starten.
Sie versuchen auch, die Veränderungen in CtIP zu verstehen, die dazu führen, dass die DR-Domäne freigelegt wird, und untersuchen die Rolle von CtIP bei Krebs. „Mutationen in CtIP wurden in menschlichen Tumoren nicht umfassend kartiert, aber anhand dieser Daten sagen wir voraus, dass Mutationen in der DR-Domäne zu Krebs führen würden“, sagt er.
Langfristig hofft das Team, dass ein besseres Verständnis des DNA-Schadenswegs Hinweise für die Krebsbehandlung in der Zukunft liefern könnte. „CtIP ist ein weiterer wichtiger Akteur bei der Reaktion auf Doppelstrangbrüche“, sagt Hunter. „Wir haben dem komplexen Puzzle der DNA-Reparatur ein weiteres Teil hinzugefügt.“
Zusammen mit Dr. Hunter und You, zu den Forschern, die zu der Arbeit beigetragen haben, gehören Linda Shi, Ph.D. und Andrew Basilio von der University of California, San Diego; Quan Zhu, Ph.D., Nina Tonnu und Inder Verma, Ph.D. im Labor für Genetik des Salk Institute; Peng Wu, Ph.D., in Yous Labor an der Washington University School of Medicine; You-Wei Zhang, Ph.D. , jetzt an der Case Western Reserve University; und Michael W. Berns, Ph.D., an der UCSD und der University of California, Irvine.
Claire Attwooll
Über das Salk Institute for Biological Studies:
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Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.
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