DNA-Replikation ist der Prozess, bei dem Zellen vor der Zellteilung eine exakte Kopie ihrer DNA erstellen. Ein wichtiger Teil der komplizierten DNA-Replikationsmaschinerie ist ein molekularer Motor namens CMG, der die entscheidende Aufgabe hat, die beiden Stränge der DNA-Doppelhelix zu trennen, damit sie kopiert werden können.
Ein interdisziplinäres Forscherteam der TU Delft hat nun eine neue Methode entwickelt, um die Bewegung von CMG mit beispielloser Auflösung zusammenzusetzen und abzubilden. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht am 14. April 2023 im Open-Access-Journal Naturkommunikationwird den Weg für weitere Entdeckungen in der Untersuchung der DNA-Replikation ebnen.
Die DNA-Replikation ist von grundlegender Bedeutung für das Leben, da die zuverlässige Übertragung genetischer Informationen zwischen Zellgenerationen für das Überleben und die Gesundheit aller lebenden Organismen von entscheidender Bedeutung ist. Es wird von einer komplizierten zellulären Maschinerie ausgeführt, die als Replisom bekannt ist und aus Proteinbausteinen besteht. Eine Schlüsselkomponente dieser Maschinerie ist CMG, der molekulare Motor, der das Replisom während der DNA-Replikation antreibt.
CMG hat die wichtige Aufgabe, die beiden Stränge der DNA-Doppelhelix zu trennen, damit die Botschaft, die sie kodieren, gelesen und kopiert werden kann. „Zu verstehen, wie sich CMG entlang der DNA bewegt, ist entscheidend für unser Verständnis der DNA-Replikation“, sagt Daniel Ramírez Montero, Forscher und Erstautor der Veröffentlichung. Das Studium der DNA-Replikation ist sehr wichtig, da Fehler in diesem Prozess zu genetischen Störungen oder Krebs führen können.
Bewegung auf Film
In lebenden Zellen wird CMG über eine komplizierte Kaskade biochemischer Reaktionen zusammengesetzt und aktiviert, an der 36 verschiedene Proteine beteiligt sind. Eine Gruppe von Forschern der TU Delft unter der Leitung von Spinoza-Preisträgerin Professor Nynke Dekker hat in Zusammenarbeit mit dem Gruppenleiter des Francis Crick Institute, Dr. John Diffley, eine Möglichkeit entwickelt, diesen streng kontrollierten Prozess außerhalb der Zelle durchzuführen und die Bewegung einzelner CMG-Moleküle zu messen Motoren.
Die Forscher extrahierten alle 36 Proteine aus Zellen, um CMG auf DNA aufzubauen. Indem sie an einigen der Proteine fluoreszierende Markierungen anbrachten, konnten sie die Bewegung des molekularen CMG-Motors direkt unter einem Fluoreszenzmikroskop beobachten.
„Mit diesem neuen Ansatz konnten wir die Bewegung einzelner CMGs visualisieren, die von Grund auf neu erstellt wurden. Wir verwendeten optische Pinzetten, um die CMG-haltige DNA zur einfacheren Visualisierung stillzuhalten, und nahmen dann Filme von CMG auf, während es sich entlang der DNA bewegte. Dies So konnten wir erstmals seine Bewegung auf Einzelmolekülebene messen“, erklärt Ramírez Montero.
Beispiel für CMG-Motoren, die sich entlang eines DNA-Moleküls bewegen, das von einer optischen Falle festgehalten wird. Bildnachweis: Ramírez Montero et al., Naturkommunikation2023. DOI: 10.1038/s41467-023-37093-9
Neue Erkenntnisse
Mit ihrem Bottom-up-Ansatz, der modernste Biochemie und Biophysik kombiniert, war die Forschergruppe in der Lage, die Bewegung einzelner CMG-Motoren, die von Grund auf neu zusammengesetzt wurden, zum ersten Mal direkt zu visualisieren und diese Bewegung mit beispielloser Auflösung zu messen. Darüber hinaus machten sie die unerwartete Entdeckung, dass sich CMG zufällig entlang der DNA bewegen kann, wenn ein Schlüsselmolekül namens ATP fehlt; Darüber hinaus zeigen sie, dass die anschließende erneute Bindung von ATP es CMG ermöglicht, die DNA fest zu halten, wodurch ihre zufällige Bewegung gestoppt wird. Dieses Anhalten ist wichtig, da es wahrscheinlich die Aktivierung von CMG erleichtert, einem kritischen Prozess bei der Initiierung der DNA-Replikation.
Diese Arbeit wird den Weg für weitere Studien ebnen, die möglicherweise unbekannte Details von Schlüsselprozessen bei der DNA-Replikation aufdecken. Diese Entdeckungen können uns wiederum näher bringen, zu verstehen, wie Zellen es schaffen, ihre genetischen Informationen bei jeder Zellteilung getreu weiterzugeben, und die Fehler in diesem Prozess besser verstehen, die zur Entstehung von genetischen Störungen oder Krebs beitragen können. Dazu Ramírez Montero: „Biologische Systeme können auf den ersten Blick sehr kompliziert und chaotisch aussehen, aber wenn wir sie mit dieser Auflösung beobachten, können wir die einfache und elegante Physik dahinter verstehen.“
Mehr Informationen:
Daniel Ramírez Montero et al., Nukleotidbindung stoppt die Diffusion der eukaryotischen replikativen Helikase während der Aktivierung, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37093-9