Ludwig-Maximilians-Universität München
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Biomolekulare Optik

Was DNA vor Sonne schützt

München, 18.09.2014

LMU-Forscher decken eine neue Funktion der Basenpaarung auf, die den DNA-Doppelstrang zusammenhält: Sie ist für die UV-Stabilität des Erbmaterials von fundamentaler Bedeutung.

Bild: psdesign1 - Fotolia.com

Die faszinierende Struktur der DNA-Doppelhelix wurde vor mehr als 60 Jahren von den Biochemikern James Watson und Francis Crick entdeckt. Sie wird durch zwei wichtige Wechselwirkungen stabilisiert – die Basenstapelung zwischen benachbarten Basen der jeweiligen Einzelstränge und die Basenpaarung, vermittelt durch Wasserstoffbrücken, zwischen Basen gegenüberliegender Stränge. Das Basenpaarungsmuster zwischen Guanin und Cytosin sowie Adenin und Thymin ist essenziell für die Vervielfältigung und Erhaltung der genetischen Information.

Den Arbeitsgruppen um Wolfgang Zinth, Inhaber des Lehrstuhls BioMolekulare Optik, und Thomas Carell, Inhaber des Lehrstuhls Bioorganische Chemie, an der LMU ist es nun gelungen, eine neue Funktion der Basenpaarung aufzudecken: Sie schützt die DNA vor Photoschäden. Über ihre Ergebnisse berichten sie aktuell in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie.

UV-Strahlung ruft photochemische Reaktionen in DNA hervor, die zu Veränderungen in der DNA-Struktur führen. Diese Veränderungen der genetischen Information können Zelltod oder Krebs auslösen. In einer kürzlich veröffentlichten Arbeit konnten die Autoren bereits zeigen, dass UV-Strahlung in DNA-Einzelsträngen geladene Radikale erzeugt, von denen bekannt ist, dass sie die DNA schädigen.

Die LMU-Forscher verwendeten für ihre jüngste Untersuchung eine neue Kombination aus Femtosekunden-Infrarotspektroskopie, einem physikalischen Verfahren, das mit ultrakurzer infraroter Strahlung arbeitet (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde), und bioorganischer Chemie.

Einfach deaktiviert
In ihrer neuen Arbeit untersuchen die Autoren natürliche, doppelsträngige DNA aus tierischem Gewebe (Kalbsthymus). Nach Anregung mit kurzen Laserpulsen entdeckten die Forscher einen unerwartet einfachen Deaktivierungsmechanismus der gefährlichen angeregten Zustände: Jedes angeregte Basenpaar – Guanin und Cytosin, sowie Adenin und Thymin – zerfällt konzertiert zurück in den Grundzustand. „Demzufolge kontrolliert die Watson-Crick-Basenpaarung die Dissipation der absorbierten UV-Energie“, sagt Wolfgang Zinth. „Dies widerspricht der bisher gängigen Lehrmeinung, dass die Basenabfolge innerhalb eines Strangs verantwortlich für die Deaktivierung angeregter Zustände sei.“

Ein zweites wichtiges Ergebnis der Untersuchungen betrifft die biologischen Konsequenzen. Die Basenpaarung vernichtet die gefährlichen Zustände, die durch UV-Licht in DNA-Strängen gebildet werden. Sie wirkt also als eine Art natürlicher Sonnenschutz und ist daher von fundamentaler Bedeutung, um Leben unter UV-Bestrahlung zu ermöglichen. (Angewandte Chemie 2014)