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21.01.2014

Neue Methode ermöglicht Fingerabdruck von DNA-Schäden in Zellen


Schäden am Erbmolekül DNA können durch äußere Einflüsse, aber auch durch Veränderungen (Mutationen) des Erbguts bei der Verdopplung der DNA während der Zellteilung entstehen. Welche Faktoren diesen Prozess steuern, ist eine wichtige Fragestellung, da die Anhäufung von DNA-Schäden der Alterung von Zellen und Geweben zugrunde liegt. Forscher des Leibniz-Instituts für Altersforschung (FLI) in Jena haben eine nichtinvasive Methode entwickelt, mit deren Hilfe ein Fingerabdruck von DNA-Schäden in allen Phasen des Zellzyklus möglich ist. So kann in den Zellen untersucht werden, wo und wann spezifische DNA-Schäden auftreten, ob diese repariert werden und wie die Zelle schließlich auf das gesamte Schadensspektrum reagiert.

Der Verdopplungsprozess der DNA (Replikation) verläuft nicht immer fehlerfrei. Um DNA-Schäden frühzeitig aufzuspüren und Schäden schnellstmöglich zu beheben, verfügen die Zellen über ein komplexes DNA-Schadensregulationssystem (Schadensantwort), das die Stabilität des Genoms absichert. Über Signale wird die Zelle dazu aufgefordert, sich zu teilen, wird bei speziellen Schlüsselereignissen des Teilungszyklus (Checkpoint-Kontrolle) überprüft, ob die Zellteilung angehalten werden muss und wird ermöglicht, DNA-Schäden zu reparieren oder einen Replikationsfehler zu korrigieren. Verändern sich wichtige Komponenten der Schadensantwort, sind schwere Erkrankungen die Folge, so dass die genaue Kenntnis der Details der Schadenserkennung und -behebung auf molekularer Ebene zum besseren Verständnis von Krankheiten beiträgt.

"Mutationen in dem Gen NBS1 verursachen eine seltene Erbkrankheit, das Nijmegen Breakage Syndrome", berichtet Professor Zhao-Qi Wang, Leiter der Arbeitsgruppe "Genomische Stabilität" am Leibniz-Institut für Altersforschung - Fritz-Lipmann-Institut (FLI) in Jena. Diese Erkrankung äußert sich durch ein sehr kleines Gehirn (Mikrozephalie), einer Schwäche des Immunsystems bis hin zu häufig auftretenden Krebserkrankungen. Über die Mechanismen der Krankheitsentstehung ist bisher jedoch wenig bekannt. Was genau passiert, wenn auf zellulärer Ebene das Gen NBS1 inaktiviert wird, hat nun die Forschungsgruppe um Prof. Wang genauer untersucht.

"Wir fanden heraus, dass NBS1 notwendig ist, um Zwischenprodukte, die bei der Vervielfältigung des Erbguts entstehen, aufzulösen", berichtet Dr. Christopher Bruhn, Postdoc in der Forschungsgruppe Wang, "Können diese Zwischenprodukte nicht aufgelöst werden, kommt es zu Brüchen im Erbgut". Um das nachzuweisen, verwendeten die Wissenschaftler einen speziell dafür entwickelten nichtinvasiven Assay, den high-content-Microscopy-Assisted Cell-cycle phenotyping Assay (hiMAC), mit dem ein Fingerabdruck von DNA-Schäden in allen Zellzyklusphasen erstellt werden kann.

"Die Beseitigung von NBS1 führte erstaunlicherweise nicht zur Zerstörung der Zellen während der DNA-Verdopplung, vielmehr führten die primären Defekte in der späteren G2-Phase des Zellteilungsprozesses zur Umwandlung in Doppelstrangbrüche (DSBs)", erklärt Bruhn, der die Forschungsarbeiten im Rahmen seiner Doktorarbeit durchführte. "In den Zellen ohne NBS1 halten zwei spezifische Signalübertragungswege ein DSB-Gleichgewicht aufrecht, wodurch diese Zellen mehrere Teilungszyklen durchlaufen, letztendlich jedoch an spezifischen Positionen im Zellzyklus anhalten und sterben".

"Mit unserer neuen Fingerprint-Methode konnten wir nicht nur die physiologische Bedeutung von NBS1 nachweisen, sondern auch aufschlüsseln, welches Spektrum an DNA-Schäden in den geschädigten Zellen auftreten", berichten die Jenaer Forscher. "Somit können wir während des gesamten Zellteilungsprozesses untersuchen, wo und zu welchem Zeitpunkt spezifische DNA-Schäden auftreten, ob diese vollständig repariert werden, zu welchen Sekundärschäden sie führen und wie die Zelle letztendlich auf das gesamte Schadensspektrum reagiert". Dieses Wissen bietet wichtige Anhaltspunkte, das Schicksal von Zellen zu beeinflussen, denen Faktoren wie NBS1 fehlen und könnte für die Entwicklung von Therapien zur Abmilderungen der Ausprägung der assoziierten Erbkrankheiten nützlich sein.

"Unsere Methode wird in Zukunft sicher auch für viele andere Arbeitsgruppen von großem Nutzen sein", sind sich die Wissenschaftler sicher. Erlaubt doch die Methode, ähnliche Studien durchzuführen, um durch Inaktivierung anderer Gene spontane Veränderungen in der Zelle genauer zu untersuchen und Mechanismen der Krankheitsentwicklung auf zellulärer Ebene aufklären zu können.

—> Originalpublikation

Quelle: Leibniz-Institut für Altersforschung - Fritz-Lipmann-Institut e.V. (FLI)


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