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Reparatur von DNA-Schäden durch Photolyase

Unter den verschiedenen Mechanismen, DNA zu reparieren, sind Photolyasen die ältesten dieser Reparaturenzyme. Eine neu entdeckte Lichtreaktion in Bakterien kann DNA-Schäden durch UV-Licht reparieren.

Das Bodenbakterium Agrobacterium tumefaciens ist bei Forschern sehr beliebt, denn es kann Gene in Pflanzen einschleusen und so bei der genetischen Transformation von Pflanzen helfen. Das Bakterium lebt natürlicherweise im Boden, reagiert aber dennoch in unterschiedlicher Weise auf Sonnenlicht. Eine neu entdeckte Lichtreaktion betrifft die Reparatur von DNA-Schäden, die durch ultraviolettes Licht entstehen. Durch dieses energiereiche Licht entstehen zwei Arten neuer Verknüpfungen, die als Cyclobutan-Dimere (CPD) oder (6-4) Photoprodukte bezeichnet werden.

Photolyase in Bakterium kann DNA-Schäden reparieren

Wenn solche Schäden nicht repariert werden, entstehen Mutationen, die unter anderem Krebs auslösen und zum Zelltod führen können. Verschiedene Reparatur-Mechanismen, die sich in der Evolution herausgebildet haben, können diese Schädigungen wieder beheben. Eine besonders einfache, aber elegante Art der Reparatur, vermitteln so genannte Photolyasen. Diese Enzyme kommen in Bakterien, Pflanzen und vielen Tieren vor, jedoch nicht in Säugetieren, so auch nicht im Menschen. Photolyasen nutzen Lichtenergie, um die durch UV induzierten Verknüpfungen wieder rückgängig zu machen. Je nach Art des zu reparierenden DNA-Schadens, wird zwischen CPD-Photolyasen und (6-4)-Photolyasen unterschieden. Inga Oberpichler, Zhang Fan und Tilman Lamparter fanden nun heraus, dass Agrobacterium tumefaciens eine (6-4) Photolyase besitzt, die (6-4) Schäden reparieren kann. Stammbaumanalysen lassen vermuten, dass diese Photolyase, PhrB genannt, spezielle Eigenschaften besitzt, die bereits zu Beginn der Photolyasen-Evolution vorhanden waren.

PhrB unterscheidet sich von anderen Photolyasen

In Zusammenarbeit mit Patrick Scheerer (Charité Berlin) und Norbert Krauß (Queen Mary London) wurde die 3-dimensionale Struktur von PhrB ermittelt. Kristallstrukturen anderer Photolyasen sind bereits bekannt, und PhrB ist ähnlich gefaltet. Im Vergleich mit den pflanzlichen und tierischen (6-4)-Photolyasen gibt es aber auf der Ebene der einzelnen Aminosäuren nur erstaunlich wenige Übereinstimmungen. Lediglich eine Aminosäure, ein Histidin im aktiven Zentrum, kommt spezifisch in den beiden Gruppen gemeinsam vor. Damit ist diese Aminosäure auch als wichtigste Aminosäure der (6-4) Reparatur identifiziert worden. Im Gegensatz zu anderen Photolyasen besitzt PhrB ein Eisen-Schwefel Zentrum. Solche Cluster können Elektronen leiten und spielen daher eine wichtige Rolle in der Atmungskette oder der Photosynthese.

Auch im Hinblick auf den so genannten Antennen-Chromophor unterscheidet sich PhrB von anderen Photolyasen. Dieser Antennen-Chromophor ist zuständig für die Absorption der Lichtenergie, die für die Reparatur benötigt wird. Diese Energie wird an einen anderen Chromophor, FAD, übertragen, welcher für die chemische Reaktion zuständig ist. Als Antennen-Chromophor von PhrB identifizierten die Wissenschaftler 6-7 Dimethyl 8-Ribityl-Lumazin. Dieses Molekül kommt nicht in anderen Photolyasen vor, wird aber von jeder Zelle als wichtiges Stoffwechsel-Intermediat hergestellt.

Dank der neuen Erkenntnis kann der evolutionäre Entwicklungsprozess der Photolyasen besser nachvollzogen werden und damit vielleicht die Grundlage gelegt werden, um Sonnenschutz und Krebstherapie zu verbessern.

Siehe auch: http://www.pnas.org/content/early/2013/04/10/1302377110.abstract 


24.04.2013