Forscher untersuchen die Feinheiten der homologen Rekombination und abnormaler Chromosomenbrücken

Für fast alle Lebensformen ist es von entscheidender Bedeutung, die in der genomischen DNA gespeicherten genetischen Informationen während des Zellteilungszyklus intakt zu halten. Umfangreiche DNA-Schäden verursachen unweigerlich verschiedene nachteilige genomische Veränderungen, die im besten Fall zum Zelltod und im schlimmsten Fall zum Auftreten von Krankheiten wie Krebs führen können.

Glücklicherweise verfügen Zellen in allen drei Lebensbereichen über einen besonderen fehlerfreien Mechanismus zur Aufrechterhaltung genetischer Informationen, der als homologe Rekombination (HR) bekannt ist.

Der HR-Prozess beginnt, wenn eine Zelle während der DNA-Synthese oder danach auf einen DNA-Schaden stößt und eine Kaskade von Ereignissen auslöst. Die beschädigte DNA wird zunächst reseziert oder geschnitten, um einzelsträngige Enden in der Nähe der beschädigten Stelle zu erzeugen. Diese Enden werden dann mit der entsprechenden Region in einem verfügbaren replizierten Chromosom, auch bekannt als „Schwesterchromatid“, abgeglichen, das im Wesentlichen als Matrize zur Reparatur der beschädigten DNA dient.

Wie zu erwarten ist, umfasst der HR-Weg eine Vielzahl von Proteinen und zellulären Maschinen. Während die meisten dieser Proteine ​​und Zellmaschinen gut erforscht sind, bleiben einige von ihnen etwas rätselhaft. Dies ist der Fall bei den Regulatoren von RAD51, einem Protein, das für die Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen verantwortlich ist.

Normalerweise bildet RAD51 Filamente, die dazu beitragen, DNA-Replikationsgabeln zu erhalten – vorübergehende Anordnungen von DNA, die häufig während der DNA-Replikation auftreten, beispielsweise beim Kollaps der Replikationsgabel. Die ordnungsgemäße Regulierung von RAD51 sowie der Abbau dieser Filamente nach Erfüllung ihres Zwecks ist für die HR von wesentlicher Bedeutung.

Allerdings sind die genauen Mechanismen, durch die eine abnormale RAD51-Akkumulation zu genetischer Instabilität führt, nicht vollständig geklärt, und viele positive und negative RAD51-Regulatoren bleiben unklar.

Jetzt jedoch in einem aktuellen Artikel veröffentlicht In Nukleinsäureforschung Am 10. April 2024 untersuchte ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Miki Shinoara vom Department of Advanced Bioscience der Kindai University, Japan, die enge Beziehung zwischen RAD51 und FIGNL1, einem seiner wichtigsten Regulatoren. Die Studie wurde von Kenichiro Matsuzaki, ebenfalls vom Department of Advanced Bioscience der Kindai University, mitverfasst und wirft das dringend benötigte Licht auf die Feinheiten des HR-Prozesses.

Zunächst haben die Forscher mithilfe der bewährten CRISPR/Cas9-Methode menschliche Zellen gentechnisch verändert, die FIGNL1 nicht exprimierten (d. h. FIGNL1-KO-Zellen). Anschließend visualisierten sie mithilfe fortschrittlicher Immunfärbungstechniken unter Verwendung sorgfältig ausgewählter Antikörper und Fluoreszenzmikroskopie den HR-Prozess im Detail und suchten nach Indikatoren für Anomalien.

Durch die Kombination dieses Ansatzes mit einer Vielzahl anderer experimenteller Verfahren wie Western Blot, Zellzyklusanalyse, Proteinassays sowie genomischen und transkriptomischen Analysen gelang es ihnen, ein umfassendes Bild davon zu erhalten, was in einer Zelle passiert, wenn FIGNL1 fehlt.

Die Ergebnisse zeigen, dass FIGNL1 ein hochspezialisiertes RAD51-abbauendes Enzym ist, das für die ordnungsgemäße Chromosomentrennung nach der „Zerlegung“ der Replikationsgabeln notwendig ist.

Genauer gesagt, wenn RAD51-Filamente nicht vollständig abgebaut werden, kommt es während der Mitose zu abnormalen Ereignissen, die zu ungelösten Zwischenprodukten führen. Dies führt letztendlich zur Bildung sogenannter „Chromosomenbrücken“ zwischen den Schwesterchromatiden. Diese ultrafeinen Strukturen beeinträchtigen die normale Funktion der Zelle erheblich und führen zur Ausbreitung katastrophaler genetischer Informationen.

Das Verständnis der feineren Details des HR-Pfads, seiner Hauptakteure und seiner vielen Teilprozesse ist nicht nur aus biologischer, sondern auch aus medizinischer Sicht äußerst wichtig.

„Der Zelltod aufgrund einer Fehlregulation der HR ist ein wichtiger Mechanismus, durch den Krebsmedikamente eine krebszellspezifische Zytotoxizität aufweisen“, erklärt Prof. Shinohara. „Bisher war das Hauptziel ein HR-Aktivierungsmangel, aber die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die anhaltende Aktivierung von RAD51 auch Zytotoxizität aufweist und ein molekulares Ziel für Krebsmedikamente sein kann.“

Darüber hinaus kann die am HR-Signalweg beteiligte Zellmaschinerie als leistungsstarkes biotechnologisches Werkzeug genutzt werden.

„HR ist bei den meisten Arten ein gut konserviertes System und ist auch eng mit Genmodifikationstechnologien wie Genomeditierung und Gen-Targeting-Technologien verbunden“, kommentiert Prof. Shinohara. „Dadurch werden die Mechanismen aufgeklärt, die die Rekombinaseaktivität wie diese steuern.“ von RAD51 kann dazu beitragen, die Effizienz von Genmodifikationstechniken zu steigern.“

Erwähnenswert ist, dass die Gentechnik ein hochwirksames Mittel zur Steigerung des Ernteertrags und zur Anpassung mikrobieller Organismen für Aufgaben wie die biologische Sanierung ist, die verschiedene Probleme der modernen Welt angeht.

Insgesamt werfen die Ergebnisse dieser Studie nicht nur Licht auf einen universellen biologischen Prozess, sondern ebnen auch den Weg zu einem besseren Verständnis der zellulären Mechanismen für wichtige Arzneimittelentdeckungen und Fortschritte auf dem Gebiet der Gentechnik.