Die Geheimnisse der DNA-Schleifen könnten uns im Kampf gegen Krebs die Oberhand verschaffen
Wie verpackt eine Zelle ihr Durcheinander genetischer Daten zur Teilung in saubere Chromosomen? Schließlich ist die DNA in unseren Zellen etwa zwei Meter lang und muss in einen Zellkern passen, der etwa ein Fünfzigstel der Größe eines Salzkorns hat. Wie um alles in der Welt ordnet es dieses Gewirr, bevor es sich in zwei Teile aufteilt?
Neue Forschungen haben den Prozess im wahrsten Sinne des Wortes beleuchtet und einen Proteinkomplex namens Kondensin gefilmt, der Schleifen aus der DNA zieht.
Frühere Studien haben die Theorie aufgestellt, dass Kondensin wie ein winziger Motor wirkt, der Schleifen in der DNA erzeugt; Die Idee dahinter ist, dass viele dieser Falten es einer Zelle ermöglichen, ihr Genom für die Verteilung zwischen Tochterzellen zu verdichten. Bisher konnte diese Rolle jedoch nicht nachgewiesen werden. Durch die Isolierung eines DNA-Moleküls und dessen sorgfältige Ausrichtung mit einem Kondensinkomplex unter einem Mikroskop haben Wissenschaftler des Kavli-Instituts der Universität Delft und des EMBL Heidelber das Protein in Aktion gefilmt.
„Die Technik mag sehr einfach erscheinen („Stellen Sie sich einfach die DNA und das Kondensin vor“), ist aber alles andere als trivial“, erklärt Professor Cees Dekker, Leiter der Forschungsgruppe an der Abteilung für Bionanowissenschaften in Delft Jugo Mobile. „Man muss die DNA ohne allzu großen Fotoschaden abbilden.
„Wenn man DNA mit Licht beleuchtet, um sie sichtbar zu machen, kann dieses Licht auch Schäden verursachen (sogenannte Photoschäden) und somit die DNA zerstören. Dies geschah zum Beispiel, als wir diese Forschung vor acht Jahren mit einem Standardfarbstoff begannen, der die DNA innerhalb von Sekunden zerschneiden und zerstören konnte.“
Mahipal Ganji, Postdoktorand in der Cees-Dekker-Gruppe in Delft, erklärt, dass der erste Schritt des neuen Bildgebungsverfahrens darin bestand, zwei Enden eines DNA-Moleküls auf einer Oberfläche zu fixieren und vorsichtig Farbstoff aufzutragen: „Danach wird ein Fluss in der Flüssigkeit erzeugt Senkrecht zum Molekül richteten wir die DNA U-förmig aus und brachten sie in die Brennebene unseres Mikroskops. Erstaunlicherweise konnten wir dann sehen, wie sich ein einzelnes Kondensin bindet und mit der Extrusion einer Schleife beginnt.“
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Laut Dekker „klärt“ das Filmmaterial die Debatte über die Fähigkeit von Kondensin, Schleifen in der DNA zu bilden. Das Team beobachtete außerdem, dass das Taumeln asymmetrisch ist, wobei Kondensin DNA nur von einer Seite seines verankerten Punktes zieht. Der Schleifenprozess benötigt nur eine geringe Menge ATP, um das Kondensin anzutreiben, was darauf hindeutet, dass der Proteinkomplex die DNA nicht Base für Base, sondern in großen Stücken zieht. Der winzige Motor erledigt dies bemerkenswert schnell und bewegt bis zu 1.500 Basenpaare pro Sekunde.
Die Ergebnisse haben nicht nur das Potenzial, einen grundlegenden Mechanismus der Mitose und Meiose aufzuklären, sondern können auch zur Heilung medizinischer Probleme im Zusammenhang mit der Familie der Proteine, zu denen Kondensin gehört, den sogenannten SMC-Proteinen, genutzt werden. Wie Dekker erklärt, könnte dies uns helfen, besser zu verstehen, wie wir Krebs bekämpfen können:
„Die SMC-Proteine sind entscheidend für die Organisation der Chromosomen. Eine Störung der korrekten Verteilung von Chromosomenmaterial auf Tochterzellen wird mit Krebs in Verbindung gebracht. Das grundlegende Verständnis der SMC-Proteine ist somit die Grundlage für das Verständnis der disruptiven Prozesse, die zu Krebs führen. Genauer gesagt stehen Mutationen in den SMC-Proteinen im Zusammenhang mit Erbkrankheiten wie dem Cornelia-de-Lange-Syndrom.“
Die Ergebnisse des Kavli-Instituts der Universität Delft und des EMBL Heidelber werden heute in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.
Bildnachweis:Cees Dekker Lab TU Delft/Scixel