Forscher beschreiben ein „POT-Loch“, das unsere Chromosomenenden schützt

Forscher haben ein neues Merkmal entdeckt, wie die natürlichen Enden unserer Chromosomen vor schädlichen Folgen geschützt werden.

In einer neuen Studie untersuchten Forscher der University of Michigan, wie der DNA-Schadenerkennungsprozess den Unterschied zwischen schädlichen DNA-Brüchen, die repariert werden müssen, und den natürlichen Enden von Chromosomen, sogenannten Telomeren, zu kennen scheint, die in Ruhe gelassen werden müssen.

„Wenn möglich, reparieren Sie es, und wenn Sie es nicht reparieren können, stirbt die Zelle. Sie möchten sich nicht weiter mit gebrochener DNA teilen. Das passiert in einer normalen Zelle, und das ist eine gute Sache“, sagte er Jayakrishnan Nandakumar, Professor für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie.

„Aber das Problem besteht darin, dass der Bruch in der Mitte eines Chromosoms und die natürlichen Enden des Chromosoms chemisch gesehen gleich sind, aber die Reparatur der natürlichen Enden katastrophal sein könnte, weil dann unsere Chromosomen miteinander verbunden würden.“

Forscher wissen, dass ein Proteinkomplex namens Shelterin das Chromosomenende abdeckt und Telomere vor einer DNA-Schadensreaktion schützt. Obwohl Shelterin vor etwa 15 bis 20 Jahren von Biologen definiert wurde, hatten Forscher noch kein vollständiges Bild davon, wie es Telomere schützt.

Nandakumar und sein Team, zu dem auch die leitende Wissenschaftlerin Valerie Tesmer gehörte, zeigten, dass ein Shelterin-Protein namens POT1 einen Hohlraum nutzt, den die Forscher „POT-Loch“ nennen, um das natürliche Ende des Chromosoms davor zu verbergen, dass es von der ATR-Maschinerie als DNA-Schaden erkannt wird. Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft.

„Wir widmen dies den Straßen in Michigan – nicht alle POT-Löcher sind schlecht“, sagte Nandakumar.

Obwohl unsere Chromosomen größtenteils doppelsträngig (ds) sind, endet ein Strang etwas früher als der andere. Der Strang, der sich also etwas weiter ausdehnt, bildet am Chromosomenende einen einzelsträngigen (ss) Schwanz. Der Bereich, in dem die ds-Region auf den ss-Schwanz trifft, wird als telomerer ds-ss-Übergang bezeichnet. Das bedeutet, dass telomere DNA drei Segmente hat: ds-, ss- und ds-ss-Verbindungssegmente. Das DNA-Ende innerhalb der ds-ss-Verbindung wird als Fünfer- oder 5′-Ende bezeichnet.

Die ATR-DNA-Schadensmaschinerie erkennt DNA-Brüche, die eine DS-SS-Verbindung und einen SS-Schwanz haben. Was hindert ATR also daran, die DS-SS-Verbindung und den SS-Schwanz von Telomeren zu erkennen? Es war bereits bekannt, dass POT1 den SS-Schwanz des Telomers schützt, aber wie die DS-SS-Verbindung des Telomers geschützt wird, war nicht bekannt.

Mit einer Methode namens Röntgenkristallographie konnten die Forscher die Verbindung zwischen dem POT1-Protein und dem 5′-Ende der DNA an der ds-ss-Verbindung in 3D visualisieren. Insbesondere konnten die Forscher den Hohlraum erkennen, in dem das 5′-Ende des Chromosoms sauber einrastet und so den Zugang zur ATR-Maschinerie verhindert.

Tesmer war der Forscher, der diese Funktion von POT1 erforschte. Sie durchforstete frühere Forschungsergebnisse und konzentrierte sich dabei auf eine Arbeit, in der von einer mysteriösen POT1-DNA-Bindungsstelle berichtet wurde. Tesmer entschlüsselte diese DNA-Stelle als die telomere ds-ss-Verbindung, was zu der endgültigen Entdeckung führte, dass POT1 die telomere ds-ss-Verbindung bindet.

Tesmer und Mitautorin Kristen Brenner testeten die Bedeutung des POT-Lochs für den Schutz vor einer DNA-Schadensreaktion, indem sie Mutationen in das POT-Loch einführten, die verhindern, dass sich POT1 mit der ds-ss-Verbindung verbindet. Diese Mutationen ermöglichten es der DNA-Schadensreaktionsmaschinerie, Telomere zu erkennen, und zeigten uns, warum es wichtig ist, an unseren Chromosomenenden ein intaktes POT-Loch zu haben.

„Unsere Entdeckung, dass POT1 an die (telomere) DS-SS-Verbindung bindet, erweitert unsere Vorstellung davon, dass menschliches POT1 das Telomer schützt“, sagte Tesmer.

Nebenbei lösten die Forscher auch ein weiteres großes biologisches Rätsel. Mäuse besitzen zwei Versionen von POT1: POT1a und POT1b, aber nur POT1a schützt die Chromosomenenden vollständig. Warum kann POT1b POT1a nicht ersetzen? Der Grund dafür ist, dass nur POT1a das POT-Loch enthält und die ds-ss-Verbindung bindet.

„Unsere Studie hat gezeigt, dass sogar die 5‘-Enden unserer Chromosomen von einem Protein abgedeckt sind. Es handelt sich um ein Protein, von dem zuvor bekannt war, dass es die Enden von Chromosomen bindet. Wir wussten nur nicht, dass es das 5‘-Ende physisch abdeckt.“ sagte Nandakumar. „Wenn wir unsere Lehrbücher überarbeiten und zeigen müssten, wie unsere Chromosomenenden aussehen, müssten wir am 5‘-Ende eine Kappe zeigen, und diese Kappe wäre das POT1-Protein.“