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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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Termine + Tipps rund um die Nobelpreise

Im Oktober ist wieder die Zeit für die Bekanntgabe der Nobelpreise. Das nehme ich zum Anlass um euch neben den anstehenden Terminen ein paar Tipps und Infos rund um die Website der Nobel-Stiftung vorzustellen.

Fangen wir mal mit den Terminen an:

  • Am Montag, den 06.10.2014 ab 11.30 Uhr CET wird der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin bekanntgegeben.
  • Dienstag, 07.10.2014 ab 11.45 Uhr CET wird bekanntgegeben, wer den Physik-Nobelpreis bekommt.
  • Mittwoch, 08.10.2014 ab 11.45 Uhr CET folgt die Bekanntgabe des Chemie-Nobelpreises.
  • Am Freitag, den 10.10.2014 ab 11.00 Uhr CET werden wir wissen, wer den Friedens-Nobelpreis bekommt.
  • Montag, den 13.10.2014 ab 13.00 Uhr CET findet die Bekanntgabe des Nobelpreises für Wirtschaftswissenschaften statt.
  • Das Datum für den Literaturnobelpreis steht noch nicht fest.

Die Bekanntgabe der Preise wird per Webcast auf der Seite der Nobel-Stiftung bzw. deren Youtube-Kanal übertragen. Also falls ihr gerade Zeit habt und gaaaanz aktuell wissen wollt, wer welchen Preis wofür erhält, schaut mal beim Nobelpreis vorbei.

Allerdings werden die Bekanntgaben der Preise auch aktuell über den Twitter-Kanal der Nobel-Stiftung getweetet. Wer aktuell mit dabei sein möchte, der Hashtag lautet #NobelPrize2014

Zu den aktuellen Preisen gibt es dann einiges an Information:

Ich fange mal an der Stelle an, dass die Bekanntgabe der Preisträger draußen ist. Als Beispiel suche ich mir den Chemie-Nobelpreis vom letzten Jahr aus (woher das wohl kommt…). Er wurde verliehen „für die Entwicklung von multiskalen Modellen für komplexe chemische Systeme“. Ich kannte immerhin den Namen eines der Preisträger: Martin Karplus und zwar hierfür.

Da das vermutlich einer ganzen Reihe von Leuten so geht, gibt es zusätzlich zu den Presseinformationen, weiterführende fachliche Informationen sowie Informationen für die breite Öffentlichkeit.

Auf den Seiten der Nobel-Stiftung findet man, zusätzlich zu den aktuellen News, wer welchen Preis bekommt, weit aus mehr Informationen zu den Themengebieten in denen die Preise verliehen werden.

Zuerst wären da die historischen Informationen zu nennen, es gibt Verzeichnisse mit allen Preisträgern in allen Disziplinen und aus der nähreren Vergangenheit auch diverse (Video-)Interviews mit Preisträgern. Weiterhin gibt es ein elektronisches Archiv in dem man nachschlagen kann, wer wen für einen Preis nominiert hat – zumindest wenn es länger als 50 Jahre her ist.

Auf den einzelnen Seiten findet man weiteres über die jeweilige Disziplin und die Preisträger.

Wenn man z. B. auf der Startseite für die Chemie-Preise ist, (und schon wieder Chemie 😉 ) gibt es hier schon ein paar allgemeine Zahlen: die Gesamtzahl der Preise (105), Einzel-Preisträger und dass von 105 Preisen nur 4 Frauen einen Chemie-Nobelpreis bekommen haben – schade :-/. Weiterhin kann man Informationen zu einigen Preisen direkt auswählen. Und am Ende der Seite wird die Frage beantwortet „Why chemistry matters“. Es gibt dort aktuell 3 Videos: many facets, adventourus, a beautiful science 😀 . Hier kommen auch Chemie-Nobelpreisträger zu Wort.

Wir wissen doch alle: Chemie ist super 😉

Unter der Rubrik „Educational“ findet man auch kleine Spiele für den Zeitvertreib, wie z. B. das Diabetes Dog Game oder das Pavlovsche Hund Spiel. Wer mag, kann dort ja mal vorbeischauen.

Nachtrag anlässlich des Chemie-Nobelpreises 2014:  

Hier gibt es – auf meinem Lieblingskanal Periodic Videos – einen Beitrag zum Chemie-Nobelpreis 2014, den Eric Betzig, Stefan W. Hell und William E. Moerner für hochauflösende Fluorenszenzmikroskopie erhalten haben.

 

 

Tipp: Videos mit Infos rund um das Periodensystem und Chemie im Alltag

Da ich finde Chemie ist toll 😉 habe ich hier mit den „Periodic Videos“ einen Tipp zu gut aufbereiteten (englischen) Chemie-Infos für euch.

Die Periodic Videos der Universität Nottingham werden von Video Journalist Brady Haran und den Chemikern rund um Prof. Poliakoff produziert. Man findet hier neben gut und anschaulich aufbereiteten Informationen zu den Elementen des Periodensystems auch Videos zu Molekülen und aktuellen Themen.

Hier ist das 500. Video mit ein paar Einsichten. 😉

Ich stelle euch aus der Vielzahl der vorhandenen Videos ein paar vor, die mir gut gefallen.

Titan

Das Video zum Element Titan ist ein Beispiel für die ursprünglich geplanten Filme zu den Elementen des Periodensystems. Titan ist ein relativ häufiges Element, dass man aufgrund der Eigenschaften zwar leicht, aber trotzdem eine große mechanische Festigkeit aufzuweisen schätzt. Im Alltag wird es z. B. in Flugzeugen oder Hüftprothesen verwendet. Viele werden auch Schmuck aus Titan kennen. Ein bekanntes Pigment in vielen Wandfarben ist Titanweiß bzw. Titandioxid.

Armreif_Titan

Das Reh „trägt“ einen Titanarmreif. Die Farbigkeit wird durch gezieltes Erzeugen einer Oxidschicht erreicht.

Als nächstes habe ich eine Reihe von Videos zum Thema „Wasser“ ausgesucht. Wasser (H2O) ist hier auf der Erde eine bedeutende Verbindung: Etwa ¾ der Erdoberfläche ist mit Ozeanen bedeckt. Neben den großen Ozeanen findet man an Land Wasser in Form von Bächen, Flüssen, Seen sowie als Grundwasser. Wasser findet sich zu einem hohen Anteil auch im Menschen und der Tier- und Pflanzenwelt.

Wasser

Der Schmelzpunkt liegt bei 0°C und der Siedepunkt bei 100°C – bei Normaldruck (1013 mbar). In diesem Video zeigt sich die Abhängigkeit des Siedepunktes vom Druck, auch wenn die Versuchsbedingungen im Himalaya alles andere als ideal waren.

Durch die Dichteanomalie des Wassers, dass nicht im festen Zustand (Eis), sondern bei +4°C am dichtesten ist, schwimmt Eis auf Wasser. Hier diskutiert Prof. Poliakoff was passieren würde, wenn es nicht so wäre.

Eis_Wasser

Eis schwimmt auf Wasser – und trägt in diesem Fall sogar noch eine Muschel

Auch in 2 weiteren Videos geht es um das Thema „Eis“. Das „Schnee-Video“ führt uns schon in die Winterzeit und zeigt uns wie wir den Schnee durch die Gefrierpunktserniedrigung durch (Streu-)Salz wieder in die flüssige Form überführen.

Da passt das „Eiswürfel-Video“ deutlich besser zu den aktuellen Temperaturen 🙂 Es zeigt, was passiert, wenn man den Eiswürfel in Getränke, Alkohol und flüssigen Stickstoff wirft.

Koffein

Für alle Koffein-Süchtigen gibt es zum Abschluss noch das Video mit der Koffeinextraktion. Wobei zu erwähnen ist, dass Koffein nicht nur in Kaffee, sondern auch in Tee zu finden ist. Also beides nur in Maßen und nicht in Massen genießen 😉

Kaffeebohnen

Kaffeebohnen – immerhin muss man hier erst noch vor dem Kaffee-Vergnügen arbeiten 😉

Neue Kurse bei Iversity

Bei Iversity gibt es ab Ende September eine Reihe an neuen Kursen. 😀

Mir würden so einige gefallen. Hm – man könnte den Tag verlängern und die Nacht dazu nehmen. 😉

Hier kommen meine Top 3:

Sonst gibt es noch Kurse zur Anatomie , dem Rechnungswesen, BWL, Politikwissenschaften, Philosophie…

Mal sehen, was sich mit meiner vorhandenen Zeit realisieren lässt – vielleicht gibt es ja demnächst auch einen Kurs zum Zeitmanagement 😉

MEIN erster Beitrag :-D

Die Idee selbst zu schreiben, hatte ich schon lange. Die Umsetzung hat halt etwas gedauert. Außerdem hatte ich die Gelegenheit mich zwischenzeitlich bei meiner Doktorarbeit und den Beiträgen für meinen Sportverein – zumindest etwas auszutoben. Allerdings reicht mir das nicht, so dass ich jetzt mit diesem Blog starte. Nachdem ich auf die Frage „Was ist das „richtige“ Thema für mich?“ eine Antwort gefunden habe, kann es jetzt endlich losgehen.

Mein Thema: Natur und Wissenschaft – Naturwissenschaften und Life Sciences (besser: Meine Planung 😉 )

Seit wir im Bio-Unterricht die Mendelschen Gesetze durchgenommen hatten, lassen mich die Life Sciences nicht mehr los. Meinem Wunsch-Studienfach Biochemie habe ich mich über die Chemie genähert. Dort bin ich bei der Carotenoid- und Retinoidsynthese „gelandet“. In meiner Doktorarbeit habe ich Retinoide synthetisiert, die in einem medizinischen Institut auf ihre Fähigkeit an Retinoidrezeptoren an der DNA zu binden, untersucht wurden. Für mich ist das immer noch ein tolles Thema. Beruflich hat es mich in eine Agentur für Gesundheitskommunikation verschlagen. Durch meine Tätigkeit dort konnte ich in den letzten Jahren beobachten, wie sich die Therapien in der Onkologie veränderten. Die „mabs“ (monoclonal antibodies) und „nibs“ (small molecules) wurden immer zahlreicher und „eroberten“ auch weitere Indikationen. Na ja, im Prinzip habe ich in meiner Doktorarbeit auch „kleine Moleküle“ synthetisiert, die an Rezeptoren andocken sollten.

Mit diesem Blog möchte ich etwas von meiner Faszination für „Natur und Wissenschaft“ (und auch meiner Neugier) weitergeben.

Regenbogen

Auch wenn sich vieles wissenschaftlich erklären lässt, manchmal reicht einfach „Natur“ schauen für die Faszination. Foto: Ricarda Schügner