Der Zusammenhang zwischen der Einwirkung von Strahlung auf die DNA und der Zeit, in der das beschädigte Molekül irreversibel zerbricht, wurde aufgedeckt

Wir sind häufiger ionisierender Strahlung ausgesetzt, als wir denken: beim Sonnenbaden, das UV-Strahlen aussendet, oder beim Röntgen. Auch wenn wir mit einem Interkontinentalflug reisen, der 10.000 Meter über dem Meeresspiegel erreicht. Diese Art von Strahlung ist potenziell schädlich für die DNA, da sie diese schädigen, ihre Struktur aufbrechen oder verändern kann, was zur Bildung von Tumoren führen kann.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Raffaello Potestio, zu der Manuel Micheloni, Lorenzo Petrolli und Gianluca Lattanzi gehörten, untersuchte den Bruch von DNA, die durch ionisierende Strahlung beeinträchtigt wurde. Sie berechneten die mittlere Zeit zwischen der Strahlenexposition und dem Bruch des DNA-Strangs. Und sie fanden heraus, dass die DNA-Struktur umso länger zusammenhält, je größer der Abstand zwischen beschädigten DNA-Bereichen ist. Dadurch hat die Zelle mehr Zeit, den Schaden zu reparieren. Der Artikel wird im veröffentlicht Biophysikalisches Journal.

Computermodelle

Die Forscher erstellten eine Computersimulation einer doppelsträngigen DNA-Sequenz, wie in einer Art Videospiel. Sie ahmten Strahlungsschäden am Filament nach und beobachteten dessen Verhalten. Eine der gefährlichsten Folgen der Strahlungseinwirkung auf die DNA ist der sogenannte Doppelstrangbruch (DSB), also die Unterbrechung der strukturellen und chemischen Kontinuität des DNA-Gerüsts in den beiden komplementären Strängen.

Diese Art von Verletzung kann schwerwiegende Folgen auf zellulärer Ebene haben. Wissenschaftler haben verstanden, dass die Stränge nicht sofort brechen und dass die Zeit, die ein Strang zum Bruch benötigt, exponentiell mit dem Abstand zwischen den Brüchen in den DNA-Strängen zunimmt. Den Autoren der Arbeit ist es gelungen, ein Gesetz für durchschnittliche Bruchzeiten zu formulieren, das auf dem Abstand zwischen den Litzenbrüchen basiert. „Diese Informationen sind von entscheidender Bedeutung“, betont Raffaello Potestio, „weil sie wahrscheinlich die Wirksamkeit von DNA-Reparaturprozessen beeinflussen.“

Bruchzeit und Reparaturzeit

Zellen verfügen über ein komplexes enzymatisches System zur Kontrolle und „Erhaltung“ der DNA, das ausgelöst wird, wenn es Verletzungssignale empfängt. Dieser Mechanismus wird jedoch nicht unmittelbar nach der Schädigung ausgelöst und eine Verzögerung kann die normale Funktion der Zelle beeinträchtigen. Eine Sequenzmodifikation hat möglicherweise keine Auswirkungen, wenn sie über eine oder mehrere synonyme Mutationen erfolgt, die zur Synthese desselben Proteins führen.

Kommt es jedoch zu erheblichen Veränderungen in der DNA-Sequenz oder zu Fehlern im Reparaturprozess, begeht die Zelle im besten Fall Selbstmord (ein Vorgang, der „Apoptose“ genannt wird), weil sie erkennt, dass die Sequenz falsch oder irreparabel beschädigt ist. Im schlimmsten Fall hingegen stellt die Zelle die Integrität der DNA-Kette wieder her, dies kann jedoch zu einer Mutation oder einer Änderung der Nukleotidsequenz führen, die zu dysfunktionalem Verhalten und damit zu genetischen Veränderungen, Chromosomenmutationen, führen kann oder das Auftreten von Krebs.

Von der Computersimulation zur Praxis

Nach Ansicht der Autoren der Studie ist diese Arbeit für den strahlenbiologischen Bereich von Bedeutung und stellt einen ersten Schritt hin zu möglichen Entwicklungen in der medizinischen Behandlung und Prävention dar. Diese Studie zeichnet sich durch den Einsatz numerischer Simulationstechniken aus, die experimentell reproduziert werden konnten: Die Übertragung der Simulation vom Computer ins Labor ist eines der Ziele der Forscher.

Das Verständnis darüber, was passiert, wenn die DNA durch Strahlung geschädigt wird, eröffnet langfristig den Weg für neue und immer präzisere Strahlentherapiebehandlungen. „Diese Studie hat einen doppelten und sich ergänzenden Zweck“, erklärt Potestio.

Einerseits, um die Mechanismen zu verstehen, die Zellschäden verursachen, um solche Schäden zu verhindern oder zu begrenzen, und andererseits, um den besten Weg zu finden, den größtmöglichen Schaden anzurichten. Dies ist beispielsweise im Bereich der Protonentherapie wichtig, bei der ionisierende Strahlung, konkret Protonen, eingesetzt werden, um Krebszellen gezielt abzutöten.

„Die Strahlentherapie“, fährt er fort, „umfasst eine Reihe komplexerer Aufgaben, wie zum Beispiel die genaue Lokalisierung der im Krebsgewebe abgelagerten Strahlung, um zu verhindern, dass die Strahlen auf gesunde Zellen zielen, die geschädigt werden könnten. Je besser wir die Folgen verstehen Strahlung und der Bruch von DNA-Strängen, desto besser sind wir darauf vorbereitet, andere Behandlungen zu entwickeln und Nebenwirkungen zu mildern“, schließt Potestio.