Ludwig-Maximilians-Universität München
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UV-Strahlenschäden

Neu entdeckter DNA-Reparaturmechanismus

München, 22.12.2015

UV-Licht hat auf die DNA nicht nur schädliche Auswirkungen, LMU-Forscher zeigen erstmals, dass die ultraviolette Strahlung die DNA befähigt, sich selbst gezielt zu reparieren, ohne Beteiligung von Enzymen. Diese Fähigkeit könnte in der Frühzeit der Entwicklung des Lebens entscheidend gewesen sein.

Foto: SvitDen / fotolia.com

Die ultraviolette Strahlung des Sonnenlichts löst in der DNA, die Trägerin der Erbinformation ist, photochemische Reaktionen aus. Diese können zu Veränderungen der DNA-Struktur führen und damit den Zelltod, die Mutation von Erbinformationen oder die Entstehung von Krebs verursachen. Ein Forscherteam um Thomas Carell, Inhaber des Lehrstuhls Bioorganische Chemie an der LMU, und Wolfgang Zinth, Inhaber des Lehrstuhls Biomolekulare Optik an der LMU, zeigt nun, wie die DNA einen der häufigsten UV-Schäden selbst repariert. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler aktuell in der Fachzeitschrift Journal of the American Chemical Society.

Um UV-Schäden zu reparieren, setzt die DNA eine Reihe komplexer enzymatischer Reparaturmechanismen ein, für deren Entdeckung in diesem Jahr der Nobelpreis für Chemie vergeben wurde. Dem Team um Zinth und Carell ist es erstmals gelungen, einen bislang unbekannten Mechanismus aufzuzeigen, an dem keine Enzyme beteiligt sind.

Nur bei bestimmten DNA-Sequenzen

Die DNA ist in Form einer schraubenförmigen Doppelhelix aus zwei sich gegenüberliegenden Kettenmolekülen aufgebaut. Sie wird durch Basen stabilisiert, die sich in den einzelnen Strängen übereinander stapeln und zwischen den beiden Strängen durch Wasserstoffbrücken verbunden sind.

Der häufigste durch ultraviolettes Licht verursachte Schaden ist das sogenannte Cyclobutan-Pyrimidin-Dimer (CPD). Zudem erzeugt UV-Strahlung in den DNA-Strängen kurzlebige geladene Radikale zwischen unmittelbar benachbarten Basen, wie Wolfgang Zinth und Thomas Carell in einer kürzlich veröffentlichten Arbeit zeigen konnten. Bislang ging man davon aus, dass diese Radikalpaare weitere Schädigungen an der DNA verursachen. „Wir konnten aber zeigen, dass die Radikalpaare bei bestimmten Basenkombinationen Schäden reparieren“, sagt Wolfgang Zinth. Die Triebkraft für die Reparatur liegt dabei bei den beteiligten Basen. Radikalpaare, die in unmittelbarer Nachbarschaft eines CPD-Schadens liegen, reparieren diesen bei bestimmten DNA-Sequenzen durch Ladungstransfer.

„Im Gegensatz zu den bisher bekannten Mechanismen ist diese Reparatur eine intrinsische Eigenschaft der DNA. Sie ist dabei nicht auf die sonst notwendige Beteiligung von Enzymen angewiesen“, sagt Thomas Carell. Dieser neu entdeckte Reparaturmechanismus funktioniert jedoch nur bei einigen wenigen DNA-Sequenzen. Die LMU-Forscher konnten ihn bereits bei der Basenabfolge Guanin, Adenin, Thymin, Thymin nachweisen und wollen dies in einem nächsten Schritt systematisch für alle DNA-Sequenzen untersuchen.

Durch Reparatur gestärkt

Mit ihrer Entdeckung zeigen Wolfgang Zinth und Thomas Carell, dass UV-Licht auf die DNA eine doppelte Wirkung hat. Die ultraviolette Strahlung ist nicht nur schädlich, sondern löst auch die Fähigkeit zur Reparatur aus. Dieser neu gefundene Mechanismus könnte in der Frühzeit der Entwicklung des Lebens eine entscheidende Rolle gespielt haben. „Selbst reparierende Sequenzen sind gegen starke UV-Strahlung resistenter als andere. In den präbiotischen Zeiten herrschte an der Erdoberfläche intensive UV-Einstrahlung. Damals fanden sich die ersten Nukleotidstränge zu funktionellen Sequenzen zusammen. Die UV-Strahlung war vermutlich ein entscheidender Selektionsfaktur und hat die Entwicklung hin zu ersten lebensfähigen Strukturen maßgeblich beeinflusst“, sagt Wolfgang Zinth.
JACS 2015

 

Mehr zum Thema:
Biomolekulare Optik: Was DNA vor Sonne schützt (vom 18.9.2014)