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Essen und Carell waren der Frage nachgegangen,
welchen Weg die von den Reparaturenzymen - so genannten Photolyasen -
aufgenommene Lichtenergie nimmt, um schließlich den DNA-Schaden zu
reparieren. Erstmals konnten sie im Rahmen ihrer Untersuchungen
beobachten, dass der Schaden vollständig in das aktive Zentrum des
Enzyms "klappt". Das energiereiche Elektron, das durch den
Lichteinfall im Enzym erzeugt wird und den Schaden repariert, muss
deshalb nur einen sehr kurzen Weg zu seinem Wirkungsort zurücklegen:
So kann jedes aufgenommene Lichtquant zur DNA-Reparatur ausgenutzt
werden.
CPD-Schäden durch Sonnenlicht
Der ultraviolette Strahlungsanteil aus dem
Sonnenlicht, besonders der noch die stratosphärische Ozonschicht
passierende Rest des besonders energiereichen UV-B-Lichts, schädigt
die Erbsubstanz, indem er photochemische Reaktionen zwischen den Basen
der DNA auslöst. Drei Viertel dieser Schäden vom so genannten CPD-Typ
(CPD: Cyclobutan-Pyrimidin-Dimere) entstehen, weil zwei benachbarte
Thyminbasen eine Verbindung eingehen. Obwohl dadurch die Struktur der
DNA zunächst nur geringfügig gestört wird, wirken sich CPD-Schäden
sehr stark auf die Zelle aus, da die biochemischen Reaktionen zur
Erhaltung und Vermehrung der Erbsubstanz an den Schädigungsstellen
unvermittelt zum Halt gelangen oder zumindest Mutationen hervorrufen.
Bekanntestes Beispiel für eine menschliche Erkrankung ist die oft
tödlich verlaufende Erbkrankheit Xeroderma pigmentosa ("Mondkinder").
Bei ihr führt der Ausfall entsprechender Reparaturenzyme schon bei
geringfügigsten Einwirkungen von Sonnenlicht zu schwersten
Hautschädigungen.
Die Reparatur der CPD-Schäden durch körpereigene
Mechanismen wird chemisch dadurch erschwert, dass die bei der
Verknüpfung der Thyminbasen ausgebildeten Cyclobutanringe nur schwer
zu "knacken" sind. Photolyasen gelingt es jedoch, die CPD-Schäden
wieder zu beheben. Sie nehmen ein blaues Lichtteilchen auf - mit Hilfe
von "Lichtantennen", kleinen Farbstoffmolekülen vom Deazaflavin-Typ-,
dessen Energie dann auf ein Elektron eines weiteren kleinen Moleküls,
diesmal vom Flavintyp, übergeht. Dem angeregten Elektron schließlich
gelingt es, die reaktionsträgen Cyclobutanringe zu aktivieren und
letztlich zu "knacken", die Verbindung der Thyminbasen wird wieder
aufgebrochen.
Bislang jedoch war unklar, auf welchem Wege das
Elektron auf den CPD-Schaden gelangt, wo es ihn innerhalb nur weniger
Milliardstel Sekunden auflöst. Zur Klärung dieser Frage etablierte die
Arbeitsgruppe um den Organochemiker Thomas Carell, der im Dezember
2003 von der Philipps-Universität Marburg nach München gewechselt war,
zunächst effiziente Wege zur chemischen Synthese, also der
"künstlichen Herstellung" von CPD-Schäden an einer DNA. Mit Hilfe der
Photolyase aus einer Blaualge, die von Dr. André Eker an der
Universität Rotterdam präpariert worden war, gelang es Lars-O. Essen
und seiner Mitarbeiterin Petra Gnau, den Schaden, das Enzym und den
dazwischen liegenden Komplex zu kristallisieren und so der
Röntgenstrukturanalyse zugänglich zu machen.
Durch Einsatz der Swiss Light Source (SLS) in
Villigen, Schweiz, einer der für biokristallographische Studien
stärksten Röntgenquellen Europas, konnten die Forscher die Struktur
des Photolyase/DNA-Komplexes schließlich aufklären. Es zeigte sich,
dass die Bindung des Enzyms Photolyase an die den CPD-Schaden
enthaltende DNA letztere so stark verknickt, dass der CPD-Schaden
vollständig in das aktive Zentrum des Enzyms klappt. Dieses nun
erstmals beobachtete Herausklappen von zwei DNA-Thyminbasen aus der
DNA-Doppelhelix bewirkt, dass der CPD-Schaden das genannte Molekül vom
Flavintyp (den "katalytischen Kofaktor") unmittelbar kontaktiert. Das
von letzterem erzeugte energiereiche Elektron kann also auf kürzestem
Wege zum Schaden gelangen.
Auch einen interessanten Nebeneffekt konnten die
Forscher beobachten, als sie die harte Röntgenstrahlung der SLS auf
die Kristalle einwirken ließen. Normalerweise zerstört die längere
Einwirkung von Röntgenstrahlung die darin enthaltenen Proteine und
Nukleinsäuren, weil sie zur Bildung von freien Elektronen und
Radikalen führt. Hier jedoch bewirkte ihre Einwirkung auf die
Photolyase/DNA-Kristalle unerwarteterweise eine Reparatur des
CPD-Schadens bei einer Temperatur von 173 Grad Celsius unter Null.
Offensichtlich konnten die durch Röntgenstrahlung freigesetzten
Elektronen einem ähnlichen Weg folgen wie die durch blaues Licht im
Enzym erzeugten Elektronen. Die Struktur zeigt demnach einen bei minus
173 Grad Celsius ausgefrorenen Zustand an, der bei Raumtemperatur nur
wenige Nanosekunden nach dem Reparaturereignis vorliegt.
Künftige Ziele
Mit der Beschreibung dieser Struktur sind die seit
einem Jahrzehnt währenden Spekulationen über den Mechanismus der
ungewöhnlichen lichtgetriebenen Reparatur zu einem vorläufigen
Abschluss gelangt. Nun haben sich die Marburger und Münchner
Arbeitsgruppen weitere Ziele gesteckt. Zum einen gibt es weitere
tierische und pflanzliche Klassen von Photolyasen, die sich im Aufbau
ihrer aktiven Zentren unterscheiden. Zum anderen haben ein weiteres
Viertel von UV-vermittelten DNA-Schäden eine andere chemische Struktur
als die CPD-Schäden, werden aber über eine ähnliche lichtgetriebene
Katalyse aufgelöst. Auch hier gilt es, die strukturellen Grundlagen
für den Reparaturmechanismus aufzuklären.
Im Rahmen künftiger Arbeiten streben die Forscher
aber auch eine gezielte Veränderung dieser Enzyme an. Chemiker
beispielsweise könnten die Katalyse durch Lichtenergie auch für die
Umwandlung anderer Substrate einsetzen und dabei möglicherweise auch
anderes als blaues Licht verwenden. In Mausexperimenten wurde zudem
bereits gezeigt, dass der durch Photolyasen vermittelte
Reparaturprozess zu erhöhter UV-Resistenz führen kann, selbst an
"aktiver Sonnencreme", die Strahlungsschäden bei Menschen unmittelbar
reparieren soll, wird geforscht.
Beim Menschen allerdings kommen Photolyasen nicht
vor. Bei ihm wie bei anderen plazentalen Säugetieren wie Mäusen und
Pferden hat die Evolution auf den effektiven Reparaturmechanismus der
Photolyasen zugunsten anderer Reparatursysteme "verzichtet". Im Jahr
2002 jedoch konnte die Arbeitsgruppe von Dr. Gijsbertus van der Horst
(Universität Rotterdam) an transgenen Mäusen zeigen, dass die
Einführung von Photolyase-Genen die Tiere dennoch wesentlich
resistenter gegen ultraviolette Strahlung machte. Tierisches Leben auf
Planeten ohne schützende Ozonhülle wie zum Beispiel dem Mars wäre
demnach prinzipiell möglich, wenn die Photolyasen ihre schützende
Wirkung voll entfalten können. |
