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30. Oktober 2007

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La Jolla, Kalifornien – Wenn das genetische Material im Zellkern zu zerfallen beginnt, übernimmt ein Protein namens ATM das Kommando und orchestriert die Rettungsmission. Überraschenderweise sind die DNA-Abschnitte, die einen Chromosomenbruch flankieren, genauso wichtig wie die beschädigte Stelle selbst, berichten Wissenschaftler des Salk Institute for Biological Studies, damit ATM auf Hochtouren läuft.

Bisher ging man davon aus, dass nur bereits aktivierte Geldautomaten zu den DNA-Schadensstellen rekrutiert werden könnten, doch die Ergebnisse des Salk-Teams, über die in der Online-Erweitertausgabe vom 25. Oktober berichtet wird, sind nicht mehr möglich Naturzellbiologie, zeigen genau das Gegenteil.

„Wir haben herausgefunden, dass eine effiziente ATM-Aktivierung nur erfolgt, wenn physischer Kontakt mit Bereichen besteht, die die DNA-Brüche flankieren“, sagt der Postdoktorand und Hauptautor Zhongsheng You, Ph.D. „Als wir den Zugang zu den angrenzenden Regionen sperrten, wurde die Aktivierung der Geldautomaten stark eingeschränkt“, fügt er hinzu.

„Die Aktivierung von ATM ‚vor Ort‘ sorgt für eine starke lokale DNA-Reparaturreaktion, während das Ausmaß der globalen Reaktion von der Anzahl der Doppelstrangbrüche innerhalb der Zelle abhängt“, so der leitende Autor Tony Jäger, Ph.D., Professor am Labor für Molekular- und Zellbiologie.

Unser genetisches Material oder unsere DNA wird ständig sowohl durch externe Quellen wie die ultravioletten Strahlen der Sonne als auch durch interne Quellen wie reaktive Sauerstoffspezies beschädigt. Glücklicherweise haben Zellen elegante Überwachungssysteme entwickelt, um die beschädigte DNA zu erkennen und zu reparieren.

Bei der gefährlichsten Form der DNA-Schädigung, dem Doppelstrangbruch, koordiniert ATM die zelluläre Reaktion. ATM fungiert als Kinase – ein Enzym, das Phosphatmoleküle auf seinen Substraten installieren kann – und aktiviert eine Vielzahl von DNA-Reparaturenzymen und Zellzyklusregulatoren, indem es diese phosphoryliert. Dadurch wird der Zellzyklus angehalten, bis die DNA-Reparatur abgeschlossen ist, um zu verhindern, dass Zellen beschädigtes genetisches Material weitergeben, was zu krebserregenden Mutationen führen könnte. Wenn der Schaden nicht mehr zu reparieren ist, erleiden die Zellen einen programmierten Zelltod.

Ein Mangel oder Mangel an funktionellem ATM (Ataxie-Teleangiektasie, mutiert) ist die zugrunde liegende Ursache für eine schwächende genetische Erkrankung des Menschen, die als Ataxie-Teleangiektasie bezeichnet wird. Es ist durch ein breites Spektrum an Defekten gekennzeichnet, darunter Neurodegeneration, die zu unkoordinierten oder ataktischen Bewegungen, Immunschwäche, Strahlenempfindlichkeit und Krebsneigung führt.

Seit seiner Entdeckung vor mehr als einem Jahrzehnt konzentrierte sich viel Arbeit auf die nachgelagerten Ziele des Geldautomaten. Der genaue Mechanismus, durch den beschädigte DNA ATM aktiviert, blieb jedoch unklar. Um dieses Problem anzugehen, nutzten Sie die einzigartige Eigenschaft von Zellextrakten, die aus unbefruchteten Froscheiern hergestellt wurden. Das Hinzufügen linearer DNA-Fragmente zu diesen Extrakten ahmt DNA-Doppelstrangbrüche in zellulärer DNA nach: ATM aktiviert sich schnell selbst und betätigt die Bremse der Zellzyklusmaschinerie.

Der Salk-Wissenschaftler hatte zufällig DNA-Fragmente unterschiedlicher Länge (80 bps bis 10 kbps) zur Hand und fügte einfach die gleiche Anzahl an Molekülen hinzu, in der Annahme, dass es auf die Anzahl der Enden oder „Brüche“ ankam und nicht auf deren Größe. Nicht so. „Je länger, desto besser“, beschreibt You, was er herausfand, als er die Fähigkeit der DNA-Fragmente zur Aktivierung von ATM untersuchte. „Eine effiziente ATM-Aktivierung hängt entscheidend sowohl von der Anzahl der DNA-Brüche als auch von der Gesamtlänge der beschädigten DNA-Moleküle ab.“

Diese rätselhafte Beobachtung veranlasste ihn zu der Frage, welche Rolle die intakte DNA-Nachbarschaft im Aktivierungsprozess spielt. Seine Experimente, sagt er, deuten darauf hin, dass ATM kooperativ aktiviert wird, nachdem es in die Regionen rekrutiert wurde, die gebrochene DNA-Enden flankieren. „Dieser Mechanismus koppelt die ATM-Aktivierung direkt an die beschädigte DNA und stellt sicher, dass ATM als Reaktion auf nur wenige DNA-Brüche schnell aktiviert wird“, erklärt er.

Hunter fügt hinzu: „Durch die Rekrutierung von ATM nicht nur am Bruch selbst, sondern auch in den flankierenden Regionen wird das Signal einer kleinen Anzahl von Brüchen verstärkt, um robuste Zellzyklusblockaden und DNA-Reparaturreaktionen zu erzeugen.“

DNA schwebt nicht nur im Zellkern herum, sondern ist eng um Proteine, sogenannte Histone, gewickelt, die wie Perlen auf einer Schnur entlang des DNA-Moleküls aufgereiht sind. Die gesamte Anordnung wird zusammenfassend als Chromatin bezeichnet. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein wichtiges Signal, das die Reaktion auf DNA-Schäden auslöst, zusätzlich zu dem von den primären DNA-Läsionen selbst erzeugten Signal auch von modifiziertem Chromatin ausgeht, das die DNA-Brüche flankiert“, sagt Hunter.

Zu den Autoren des Papiers gehören neben Hunter und You auch die Postdoktoranden Julie M. Bailis, Ph.D. und Sam A. Johnson, Ph.D. im Labor für Molekular- und Zellbiologie und Professor Stephen M. Dilworth, Ph.D., an der Medizinischen Fakultät des Imperial College in London.

Das Salk Institute for Biological Studies in La Jolla, Kalifornien, ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation, die sich grundlegenden Entdeckungen in den Biowissenschaften, der Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Ausbildung zukünftiger Forschergenerationen widmet. Jonas Salk, MD, dessen Polio-Impfung 1955 die lähmende Krankheit Poliomyelitis nahezu ausgerottet hatte, eröffnete das Institut 1965 mit einer Landspende der Stadt San Diego und der finanziellen Unterstützung des March of Dimes.