Archiv für den Monat November 2015

Warum und wie wird die DNA repariert? – Chemie-Nobelpreis 2015

Hier kommt der versprochene Beitrag zum Chemie-Nobelpreis 2015, der an Tomas Lindahl, Aziz Sancar und Paul Modrich für ihre Entdeckung von DNA-Reparaturmechanismen verliehen wurde.

In meinem letzten Beitrag habe ich euch unsere Erbsubstanz, die Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA, vorgestellt und auch gezeigt, wie aus der Information auf der DNA über die mRNA (Boten-RNA) in den Ribosomen Proteine (Eiweiße) hergestellt werden. Fehler in der DNA oder der mRNA können dazu führen, dass die hergestellten Proteine nicht mehr funktionieren. Wenn viele Fehler auftreten, wäre ein vielzelliger Organismus (Menschen, Tiere, Pflanzen) nicht mehr lebensfähig. Deshalb wurde zunächst angenommen, dass die DNA besonders stabil ist. Andererseits weiß man, dass z. B. Sauerstoff und Licht, sehr aggressiv sind. Rostiges Eisen oder auch vergilbte Zeitungen hat bestimmt jeder schon gesehen. Weiterhin ist daran zu denken, dass jeder „Vielzeller“ sein Leben mit einer einzigen Zelle beginnt, die immer wieder geteilt wird. Bei jeder Zellteilung wird die DNA geteilt und wieder verdoppelt. Auch hier stellt sich die Frage, wie fehlerfrei dieser Mechanismus funktioniert.

Tomas Lindahl fand heraus, dass die DNA doch nicht so „unangreifbar“ war, wie bis zu diesem Zeitpunkt angenommen. Andererseits funktionieren Menschen, Tiere und Pflanzen in der Regel recht gut, 😉 was darauf hinweist, dass es nicht auf allzu viele Fehler in der DNA gibt.

Die Frage war damit also: Was passiert mit den fehlerhaften DNA-Stellen? Um das Problem zu vereinfachen, sucht man nach möglichen Modellen. Eine Bakterienzelle besitzt eine ringförmige DNA, aber die Bakterien-DNA hat einen vergleichbaren Aufbau mit den Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin.

Ich habe hier mein Bild der Basenpaarung: Adenin – Thymin, Guanin – Cytosin.

DNAstruktur

DNA-Modell mit Zucker, Phosphat und den Basen Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin

Der nächste Ansatzpunkt für die Suche nach dem „Reparaturwerkzeug“, war die Tatsache, dass Cytosin schnell eine Aminogruppe verliert und damit zur Base Uracil wird. Uracil findet man in der RNA als Partner von Adenin. Damit würde dieser Fehler bei einer DNA-Verdoppelung dazu führen, dass anstelle von Guanin nun Adenin in den neuen DNA-Strang eingebaut wird. Mit diesem Startpunkt gelang es den Mechanismus für die sogenannte Basenexzisionsreparatur entschlüsseln. Es sind mehrere Enzyme (erkennbar an der Endung -ase) an diesem Mechanismus beteiligt.

Spezifische Enzyme (DNA-Glykosylase) erkennen die Fehler, z. B. Uracil statt Cytosin,  und schneiden die Base heraus. Die AP-Endonuklease entfernt Zucker und Phosphatrest. Das fehlende DNA-Stück wird durch das Enzym DNA-Polymerase synthetisiert und die DNA-Ligase baut es in den DNA-Strang ein. Das Video von Joan Foxton zeigt diesen Mechanismus.

Aziz Sancar hat untersucht, wie Schäden an der DNA, die durch UV-Strahlen entstanden sind, repariert werden. Sancar hat die UV-Reparatursysteme zunächst an Bakterien untersucht. Diese Bakterien verfügten bekannterweise über einen lichtabhängigem und einen lichtunabhängigen UV-Reparaturmechanismus. Er entschlüsselte den lichtunabhängigen Mechanismus mit Hilfe von drei UV-empfindlichen Bakterienkulturen, die unterschiedliche Mutationen aufwiesen. Er fand drei unterschiedliche Enzyme, die die beschädigte Stelle finden und reparieren.

Durch die UV-Strahlung können zwei nebeneinanderliegende Thyminbasen eine Bindung eingehen, was zur Folge hat, dass der Strang aus Zucker und Phosphatrest eine Art Buckel bildet. Die Enzyme finden diese Buckel und schneiden die Basen großzügig um die beschädigte Stelle (Entfernung von 12 Basen) heraus. Die DNA-Polymerase ergänzt das DNA-Stück wieder und die DNA-Ligase baut es in den Strang ein. Diese UV-Reparatur funktioniert auch beim Menschen ähnlich.

DNA_Licht

Durch UV-Licht gehen 2 benachbarte Thyminbasen eine Bindung ein

Paul Modrich hat sich mit der Reparatur von Fehlern, die bei der Verdopplung der DNA auftreten (Basenpaarungsfehlern, mismatch-Reparatur), beschäftigt. Bei dieser DNA-Replikation, die bei jeder Zellteilung stattfindet, dient jeweils ein „alter“ DNA-Strang als Vorlage und wird durch die Arbeit der DNA-Polymerase ergänzt. Bei der großen Anzahl der Basen können auch hier Fehler auftreten. Das bedeutet, dass gegenüber von Adenin nicht Thymin, sondern z. B. Cytosin eingebaut wird. Die wichtige Frage lautet, wie stellt das Reparaturenzym fest, welche Base die „richtige“ ist und welcher der Original-DNA-Strang. Die Antwort ist, dass der Vorlage-DNA-Strang durch das Enzym Dam-Methylase mit einer Methylgruppe markiert wird. Damit wird der Fehler im nicht-markierten Strang entfernt und korrigiert. Auch diese Arbeiten wurden zunächst an Bakterien durchgeführt. Bei Untersuchungen an menschlichen Zellen zeigte sich, dass es dort einen anderen Mechanismus geben muss.

Das Youtube-Video von Ted-ed zeigt zum Abschluss eine Zusammenfassung der verschiedenen DNA-Reparaturmechanismen.

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Kann man DNA wirklich schneiden?

Eigentlich sollte sich mein nächster Blogbeitrag um den Chemie-Nobelpreis und die DNA-Reparaturmechanismen drehen. Da jedoch auch in anderen Beiträgen, wie im Blog des Lindau Nobel Laureate Meetings zur Genchirurgie bzw. hier zu Mini-Schweinen, fleißig an der DNA „herumgeschnippelt“ wird/wurde, gibt es zuerst einen allgemeinen Beitrag zur Erbsubstanz und ihrer Funktion.

Ich fange natürlich mit ein wenig chemischem Basiswissen an. 🙂 Papier ist nur 2-dimensional und so fehlt bei gezeichneten Molekülen die Räumlichkeit. Kohlenstoff (wie hier im Methan) kann 4 Bindungen eingehen und bildet räumlich gesehen eine Pyramide mit dreieckiger Grundfläche – einen Tetraeder. Als Beispiel für die räumliche Struktur habe ich mit der Software ChemSketch von ACDlabs (mein Tipp für alle, die im Chemieunterricht beeindrucken wollen 😉 ) Vitamin C gezeichnet. Ihr seht unten die 3D-Animation.

Für die Anordnung der Moleküle im Raum spielt neben der festen kovalenten Bindung (Elektronenpaarbindung) die Wasserstoffbrückenbindung eine wesentliche Rolle. Das einfachste Beispiel ist das Wasser H2O. Der Sauerstoff zieht die negativ geladenen Elektronen der Bindung mehr zu sich, so dass eine leichte Verschiebung der Ladung erfolgt. Das wird in der Summenformel mit einem „delta minus“ beim Sauerstoff bzw. „delta plus“ beim Wasserstoff gekennzeichnet. Da sich unterschiedliche Ladungen anziehen, bilden sich die Wasserstoffbrückenbindungen aus. Man sieht die Kraft der Bindungen, dass Wasser trotz des geringen Molekulargewichtes einen recht hohen Siedepunkt hat. Das bedeutet, dass man zusätzlich Energie aufwenden muss, um ein Wasser-Molekül von den anderen zu lösen und in den gasförmigen Zustand (Dampf) zu überführen.

Ich habe hier ein Youtube Video zur chemischen Bindung von snuggliepuppy für euch gefunden. Hier werden ionische Bindung, kovalente Bindung und die polare kovalente Bindung (wie z. B. im Wasser) sehr anschaulich erklärt. 🙂

Nach der Betrachtung der kleinen Moleküle kommen wir jetzt zu einem richtig großen Molekül: der Desoxyribonukleinsäure (DNS) bzw. deoxyribonucleic acid (DNA) – unserer Erbsubstanz. Ich verwende als Abkürzung DNA.

Ein DNA-Baustein setzt sich aus Zucker, Phosphatrest und Nukleinbase zusammen. Der Zucker die Desoxyribose und die Nukleinbase kann Adenin, Thymin, Cytosin oder Guanin sein. Im Bild seht ihr die Einzelbausteine direkt gegenüber angeordnet, da Adenin nur mit Thymin ein Paar bilden kann und Cytosin mit Guanin. Den Zucker habe ich durchnummeriert.

DNAstruktur

DNA-Aufbau: Zucker, Phosphat, Basen

Mein Modell unten sieht aus wie eine Leiter (ich habe die Weihnachtsdeko-Vorräte geplündert…). Zwei Einzelstränge bilden das Gesamtmolekül. An der Seite wechseln sich Zucker und Phosphatrest ab und in der Mitte liegen sich die Basen des jeweiligen Einzelstranges gegenüber. Zucker und Phosphatrest sind in den Strängen in gegenläufiger Richtung angeordnet (3′ > 5′ bzw. 5′ > 3′). Hier findet ihr die Nummerierung des Zuckers wieder. Da mein Modell nur ein kurzer Ausschnitt ist und sich so zum erklären besser eignet, habe ich es nicht „gedreht“, denn das Molekül liegt als schraubenförmige Doppelhelix vor. Bei Wikipedia findet ihr ein gedrehtes und animiertes Modell.

DNAmodell

DNA-Modell: 2 Einzelstränge bilden das Gesamtmolekül

Da jede Base nur mit einer bestimmten anderen Base ein Paar bildet, kann ein Fehler innerhalb eines Stranges korrigiert werden, wenn der gegenüberliegende Strang fehlerfrei ist.

Wie kommen wir von der DNA zu unseren Eiweißen (Proteinen)?

Eiweiße werden in Ribosomen hergestellt und die DNA befindet sich – zumindest bei den Zellen von Pflanzen, Tieren und Menschen – im Zellkern. In meinem Beitrag zu den Antibiotika findet ihr ein Bild der Zellen. Die Lösung ist einfach: 😉 Man schickt einen Boten. Die messenger oder Boten-RNA (mRNA) übernimmt diese Aufgabe. Sie weißt zur DNA zwei Unterschiede auf. Als Zucker wird Ribose eingebaut und anstelle der Base Thymin findet man Uracil, so dass Adenin mit Uracil kombiniert wird.

Ihr erinnert euch noch, dass ich die DNA-Richtungen nummeriert habe? Das ist wichtig für das Ablesen, die Transkription. Es erfolgt von 3′ nach 5′. Der Startpunkt für das Ablesen eines Gens (= einer Information für ein Protein) ist eine bestimmte DNA-Sequenz, der Promotor. Der DNA-Doppelstrang teilt sich zum Ablesen auf und die mRNA wird zusammengesetzt. Der Bote wandert zu den Ribosomen, wo die Eiweiße aus Aminosäuren gebildet werden (Translation). Da es 20 Aminosäuren, aber nur 4 Basen gibt, war die Frage, wie wird die Information, welche Aminosäure gebraucht wird, übergeben. Es hat sich gezeigt, dass jeweils eine Kombination von 3 Basen die Information für eine Aminosäure kodiert. Der Austausch einer Base würde also dazu führen, dass eine andere Aminosäure eingebaut wird. Was Fehlfunktionen des gebildeten Proteins zur Folge haben kann.

Ich habe hier ein Youtube-Video von O. Maarouf in dem der gesamte Transkriptions- und Translationsprozess schematisch dargestellt wird.

Das waren jetzt meine „Basics“ zur DNA. Da unsere Erbsubstanz ein riesiges Molekül ist, kann sie durch Licht, Strahlung oder Oxidation geschädigt werden. Für die Entdeckung der DNA-Reparaturmechanismen gab es den Chemie-Nobelpreis, der Thema des nächsten Beitrags sein wird.