von Minke Nijenhuis, Kurt Gothelf und Lise Refstrup Linnebjerg Pedersen, Universität Aarhus
Eine menschliche Zelle beherbergt etwa 2 Meter DNA, die die wesentlichen genetischen Informationen eines Individuums umfasst. Wenn man die gesamte in einer einzelnen Person enthaltene DNA abwickeln und ausdehnen würde, würde sie eine atemberaubende Distanz zurücklegen – genug, um 60 Mal die Sonne und zurück zu erreichen. Um solch eine erstaunliche Menge an biologischen Informationen zu verwalten, komprimiert die Zelle ihre DNA in dicht gepackten Chromosomen.
„Stellen Sie sich DNA als ein Stück Papier vor, auf dem alle unsere genetischen Informationen geschrieben sind“, sagt Minke AD Nijenhuis, Mitautor. „Das Papier wird zu einer sehr engen Struktur gefaltet, um all diese Informationen in einen kleinen Zellkern unterzubringen. Um die Informationen lesen zu können, müssen jedoch Teile des Papiers auseinandergefaltet und dann wieder gefaltet werden. Diese räumliche Organisation unseres genetischen Codes.“ ist ein zentraler Mechanismus des Lebens. Wir wollten daher eine Methodik entwickeln, die es Forschern ermöglicht, die Verdichtung doppelsträngiger DNA zu manipulieren und zu untersuchen.“
Die dreifache Helixstruktur bietet Schutz und Kompaktheit
Natürliche DNA ist oft doppelsträngig: ein Strang zur Kodierung der Gene und ein Backup-Strang, die in einer Doppelhelix miteinander verflochten sind. Die Doppelhelix wird durch Watson-Crick-Wechselwirkungen stabilisiert, die es den beiden Strängen ermöglichen, einander zu erkennen und miteinander zu paaren. Es gibt jedoch noch eine weitere, weniger bekannte Klasse von Wechselwirkungen zwischen DNA. Diese sogenannten normalen oder umgekehrten Hoogsteen-Wechselwirkungen ermöglichen die Verbindung eines dritten Strangs und die Bildung einer wunderschönen Dreifachhelix (Abbildung 1).
In einem Artikel, veröffentlicht in Fortgeschrittene WerkstoffeForscher des Gothelf-Labors stellen eine allgemeine Methode zur Organisation doppelsträngiger DNA vor, die auf Hoogsteen-Wechselwirkungen basiert. Die Studie zeigt eindeutig, dass Triplex-bildende Stränge in der Lage sind, doppelsträngige DNA stark zu biegen oder zu „falten“, um kompakte Strukturen zu erzeugen. Das Erscheinungsbild dieser Strukturen reicht von hohlen zweidimensionalen Formen bis hin zu dichten 3D-Konstrukten und allem dazwischen, einschließlich einer Struktur, die einer Topfblume ähnelt. Gothelf und Mitarbeiter haben ihrer Methode den Namen Triplex-Origami gegeben (Abbildung 2).
Mit Triplex-Origami können Wissenschaftler ein bisher unvorstellbares Maß an künstlicher Kontrolle über die Form doppelsträngiger DNA erreichen und so neue Wege der Erforschung eröffnen. Kürzlich wurde vermutet, dass die Triplexbildung eine Rolle bei der natürlichen Verdichtung genetischer DNA spielt, und die aktuelle Studie könnte Einblicke in diesen grundlegenden biologischen Prozess bieten.
Potenzial in der Gentherapie und darüber hinaus
Die Arbeit zeigt auch, dass die Hoogsteen-vermittelte Triplex-Bildung die DNA vor enzymatischem Abbau schützt. Daher kann die Fähigkeit, DNA mit der Triplex-Origami-Methode zu verdichten und zu schützen, große Auswirkungen auf die Gentherapie haben, bei der erkrankte Zellen repariert werden, indem eine Funktion, die ihnen fehlt, in ein lieferbares Stück doppelsträngiger DNA kodiert wird.
Dieses biologische Wunder der DNA-Sequenz und -Struktur wurde auch in der nanoskaligen Materialtechnik eingesetzt und führte zu Anwendungen in der Therapie, Diagnostik und vielen anderen Bereichen. „In den letzten vier Jahrzehnten hat sich die DNA-Nanotechnologie fast ausschließlich auf Watson-Crick-Basenwechselwirkungen verlassen, um einzelne DNA-Stränge zu paaren und sie in maßgeschneiderte Nanostrukturen zu organisieren“, sagt Professor Kurt V. Gothelf. „Wir wissen jetzt, dass Hoogsteen-Wechselwirkungen das gleiche Potenzial haben, doppelsträngige DNA zu organisieren, was eine bedeutende konzeptionelle Erweiterung für das Fachgebiet darstellt.“
Gothelf und Mitarbeiter zeigten, dass die Hoogsteen-vermittelte Faltung mit modernsten Watson-Crick-basierten Methoden kompatibel ist. Aufgrund der vergleichsweisen Starrheit doppelsträngiger DNA erfordern Triplex-Origami-Strukturen jedoch weniger Ausgangsmaterialien. Dadurch können größere Strukturen zu deutlich geringeren Kosten gebildet werden.
Die neue Methode hat die Einschränkung, dass die Triplexbildung typischerweise lange Abschnitte von Purinbasen innerhalb der doppelsträngigen DNA erfordert und die Forscher daher künstliche DNA-Sequenzen anstelle natürlicher genetischer DNA verwendet haben. Sie werden jedoch in Zukunft daran arbeiten, diese Einschränkung zu überwinden.
Mehr Informationen:
Cindy Ng et al., Faltung doppelsträngiger DNA in entworfene Formen mit Triplex-bildenden Oligonukleotiden, Fortgeschrittene Werkstoffe (2023). DOI: 10.1002/adma.202302497