Forscher entdecken neues Modell für „globale“ DNA-Reparatur

Zwei Studien liefern ein radikal neues Bild davon, wie Bakterienzellen beschädigte Abschnitte (Läsionen) in ihrer DNA kontinuierlich reparieren.

Unter der Leitung von Forschern der NYU Grossman School of Medicine dreht sich die Arbeit um die Empfindlichkeit von DNA-Molekülen, die anfällig für Schäden durch reaktive Nebenprodukte des Zellstoffwechsels, Toxine und ultraviolettes Licht sind. Da beschädigte DNA zu schädlichen Änderungen des DNA-Codes (Mutationen) und zum Tod führen kann, haben sich Zellen so entwickelt, dass sie über DNA-Reparaturmaschinen verfügen. Eine große ungelöste Frage auf diesem Gebiet ist jedoch, wie diese Maschinen schnell nach seltenen Schadensabschnitten inmitten der „weiten Felder“ unbeschädigter DNA suchen und diese finden.

Frühere Studien hatten herausgefunden, dass ein wichtiger Suchmechanismus – die transkriptionsgekoppelte Reparatur oder TCR – auf der RNA-Polymerase beruht, der großen Proteinmaschine (Komplex), die die DNA-Kette herunterfährt und den Code der DNA-„Buchstaben“ liest, während sie Anweisungen in RNA transkribiert Moleküle, die dann den Proteinaufbau steuern. Mit Blick auf die aktuelle Studie sei der TCR-Mechanismus jedoch missverstanden worden, sagen die Studienautoren.

Weithin akzeptierte Arbeit, einschließlich Studien, die zu a Nobelpreis 2015, hatte argumentiert, dass TCR bei der Reparatur eine relativ geringe Rolle spiele, da es auf einem mutmaßlichen TCR-Faktor beruhte, der nur einen marginalen Beitrag zur DNA-Reparatur leistete. Es wurde angenommen, dass ein paralleler Prozess, die globale Genomreparatur (GGR), den größten Teil der DNA unabhängig von der Transkription scannt und repariert. Es wurde angenommen, dass beide Prozesse die Voraussetzungen für die Nukleotidexzisionsreparatur (NER) schaffen, bei der ein beschädigter DNA-Abschnitt herausgeschnitten und durch eine genaue Kopie ersetzt wird.

Jetzt sind zwei neue Studien am 30. März online in den Fachzeitschriften erschienen Natur und Naturkommunikation stimmen zu, basierend auf der ersten ihrer Art, mehrstufigen Analyse der DNA-Reparatur im Leben E coli Zellen, dass die meisten, wenn nicht alle, NER an RNA-Polymerase gekoppelt sind, die den gesamten genetischen Code der Bakterien auf Schäden scannt.

„Basierend auf unseren Ergebnissen müssen wir einige der grundlegenden Theorien auf dem Gebiet der DNA-Reparatur überdenken“, sagt der leitende Studienautor Evgeny Nudler, Ph.D., Julie Wilson Anderson Professor, Department of Biochemistry and Molecular Pharmacology, NYU Langone Health . „Ein echtes Verständnis einer solchen Reparatur ist ein grundlegendes Ziel in der Medizin, da die meisten Antibiotika und Chemotherapien krankheitsverursachende Zellen töten, indem sie ihre DNA schädigen, und die Fähigkeit, Reparaturen zu stoppen, würde solche Zellen viel anfälliger für bestehende Medikamente machen“, fügt Nudler hinzu, auch ein Ermittler mit dem Howard Hughes Medical Institute.

Discovery-Pipeline

Frühere Studien konnten die biologische Realität von NER in Bakterien nicht vollständig erfassen, sagen die aktuellen Autoren, weil sie Experimente verwendeten, die versuchten, komplexe Proteininteraktionen außerhalb lebender Zellen nachzubilden. Das veranlasste das Fachgebiet beispielsweise dazu, ein Protein namens Mfd als zentralen Akteur bei TCR zu definieren, obwohl festgestellt wurde, dass die meisten DNA-Reparaturen unabhängig davon ablaufen, ob Mfd vorhanden ist oder nicht. Dies deutete wiederum darauf hin, dass TCR ein kleiner Reparaturweg war. Es wurde auch angenommen, dass TCR nur in den DNA-Regionen stattfindet, die stark transkribiert werden. Es wurde angenommen, dass selten transkribierte genomische Orte oder Teile des Genoms, von denen angenommen wird, dass sie „nicht transkribiert“ sind, GGR unterliegen.

Die neu erschienene Studie in Natur verwendeten eine bahnbrechende Technologie namens Crosslinking Mass Spectrometry (XLMS), um die Abstände zwischen chemisch verbundenen Proteinen zu kartieren und so zum ersten Mal die interagierenden Oberflächen von massiven NER- und Polymerase-Komplexen zu bestimmen, während sie in lebenden Zellen zusammengesetzt werden. Anschließend speiste das Team die Spektrometriedaten in computergesteuerte Simulationen ein, die zu realistischen Strukturmodellen führten.

Im Gegensatz zum herkömmlichen Dogma stellte die Studie fest, dass die RNA-Polymerase als Gerüst für den Zusammenbau des gesamten NER-Komplexes und als primärer Sensor für DNA-Läsionen dient. Es stellte sich heraus, dass die wichtigsten NER-Enzyme UvrA und UvrB die meisten Läsionen nicht selbst lokalisieren, sondern ihnen von der RNA-Polymerase zugeführt werden. Dieser grundlegende TCR-Prozess ist unabhängig von Mfd, sagen die Autoren.

Die zweite Studie, veröffentlicht in Naturkommunikation, ebenfalls in lebenden Zellen, verwendete eine Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologie namens CPD-seq, um das Auftreten von DNA-Läsionen bei Einwirkung von UV-Licht und die Reparaturrate mit einer Auflösung bis zu einem einzigen Buchstaben (Nukleotid) im DNA-Code zu verfolgen . CPD-seq zeigte, dass die Störung der bakteriellen Transkription mit dem Antibiotikum Rifampicin die Reparatur im gesamten Bakteriengenom unterbindet. Die Studienergebnisse argumentieren, dass NER überall im bakteriellen Chromosom, der DNA-Infrastruktur, die alle Gene beherbergt, eng mit der Transkription gekoppelt ist.

In einem weiteren faszinierenden Sprung zeigten Experimente, dass Bakterienzellen angesichts von DNA-Schäden die Wirkung des Proteins Rho hemmen, das globale Terminationssignal, das der RNA-Polymerase mitteilt, mit dem Lesen aufzuhören. Wenn die Stoppsignale heruntergedreht sind, lesen die RNA-Polymerasen weiter und weiter und liefern die Reparaturenzyme an DNA-Schäden, wo immer sie im gesamten Genom angetroffen wurden.

„Angesichts unserer Ergebnisse theoretisieren wir, dass Eukaryoten, einschließlich menschlicher Zellen, auch RNA-Polymerase für eine effiziente Reparatur weltweit verwenden, da die hier beschriebenen bakteriellen TCR-Komplexe menschliche Analoga haben“, sagt Co-Erstautor der Natur studieren Binod Bharati, Ph.D., ein Postdoktorand in Nudlers Labor. „Für die Zukunft plant unser Team, das Vorhandensein von globalem TCR in menschlichen Zellen zu bestätigen und, falls dies bestätigt wird, zu untersuchen, ob die Reparatur in Zukunft sicher verstärkt werden könnte, um Alterskrankheiten entgegenzuwirken.“