Wie DNA-Reparaturen schief gehen und zu Krankheiten führen können

Wir verstehen oft, was eine Krankheit verursacht. Wir wissen beispielsweise, dass Krebs durch Mutationen an kritischen Stellen im Genom verursacht wird, die zum Verlust der Kontrolle über das Zellwachstum führen. Wir wissen, dass der Ausbruch der Huntington-Krankheit und anderer Krankheiten, die zu Muskelschwund und Koordinations- und Gleichgewichtsverlust führen, mit der Erweiterung kurzer, sich wiederholender DNA-Sequenzen verbunden ist.

Was wir nicht wissen, ist, wie diese genetischen Ereignisse zustande kommen. In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie NaturkommunikationCatherine Freudenreich, Professorin und Vorsitzende der Abteilung für Biologie an der Tufts University, und ihr Forscherteam haben Mechanismen aufgedeckt, durch die der natürliche Prozess der DNA-Reparatur fehlschlägt und Mutationen entstehen, und eröffnen damit potenzielle Wege zum Verständnis der Ursprünge vieler Krankheiten und der Entwicklung von Krankheiten Therapien, um sie zu behandeln.

„DNA-Brüche und Reparaturereignisse passieren bei jedem von uns tausende Male pro Tag“, sagte Freudenreich. „Meistens funktioniert die Reparatur so, wie sie sollte. Aber wir haben jetzt ein besseres Verständnis dafür, wie etwas schief gehen kann, und wir können dieses Wissen auf neue Therapiestrategien anwenden.“

Erica Polleys, eine Postdoktorandin im Freudenreich-Labor, konzentrierte sich auf die Genwiederholungen, die bei der Huntington-Krankheit vorkommen – eine lange Wiederholung von 60 oder mehr Kopien der Sequenz Cytosin-Adenin-Guanin oder CAG auf einem Strang der DNA und Cytosin- Thymin-Guinin oder CTG am komplementären Strang.

„Wir haben Hefe so manipuliert, dass sie eine CAG-Wiederholungssequenz aufweist, weil ihre Zellen in vielerlei Hinsicht menschlichen Zellen ähneln und einfach zu handhaben sind“, sagte Polleys. „Wir können einfache Modellorganismen verwenden, um herauszufinden, wie Zellen mit Reparaturen umgehen.“ Brüche und Fehler in der Nähe sich wiederholender Sequenzen und nutzen dieses Wissen, um zu verstehen, wie menschliche Krankheiten wie die Huntington-Krankheit oder Krebs entstehen.“

Es ist allgemein bekannt, dass DNA-Wiederholungen Strukturen bilden können, die sich von der linearen DNA-Kette verzweigen, ähnlich wie eine Schnur oder ein Schlauch verzweigte Windungen bildet, wenn sie zu eng gewickelt werden. Diese Zweige bilden Hindernisse für die natürliche Replikation und Reparatur und führen zu Fehlern im Genom.

Freudenreichs und Polleys Untersuchung der Mechanismen der DNA-Reparatur in der Nähe von Wiederholungen, die der Huntington-Krankheit ähneln, ergab, dass sich die Anzahl der Wiederholungen vergrößert oder verkleinert, je nachdem, welcher Strang der doppelsträngigen DNA repariert wird.

Wenn die CAG-Seite des Strangs während einer Reparatur entfernt wurde, zogen sich die Wiederholungen zusammen und die DNA war dem Risiko großer Deletionen ausgesetzt, die für die Zelle oft tödlich waren. Als der komplementäre CTG-Strang entfernt und repariert wurde, dehnten sich die Wiederholungen aus, jedoch jeweils nur um ein oder zwei Kopien. Die Forscher vermuten, dass sich die Wiederholungen auf diese Weise in Neuronen von Huntington-Patienten ansammeln.

Eine wichtige Beobachtung war, dass DNA-Brüche in der Nähe erweiterter Wiederholungen viel häufiger auftraten, wenn die Wiederholungen als einzelner DNA-Strang freigelegt wurden, was bei vielen Reparaturprozessen der Fall ist. Diese „fragile Stelle“ kann zur Löschung eines nahegelegenen wichtigen Gens führen, was zur Abtötung der Zelle oder zur Entstehung von Krankheiten wie Krebs führen kann.

DNA-Brüchigkeit kann in der Nähe anderer Sequenzen auftreten, die dazu führen, dass die DNA verzweigte Windungen bildet. Die Genomanalyse könnte mehr Mutations-Hotspots aufdecken, die zu Krebs führen, oder die Häufung von Reparaturfehlern, die zu vielen Alterserscheinungen führen.

Die Beobachtung von Änderungen in der Wiederholungslänge lieferte mehr Details darüber, was geschah, jedoch nicht darüber, wie es geschah. Das Tufts-Team zerlegte den Reparaturmechanismus weiter und löschte einige Proteine, um zu sehen, wie sie die Fragilität des Hefegenoms beeinflussten.

Die Entfernung eines Proteins führte zu einer schnelleren Rekrutierung anderer Proteine, die die DNA entdrehen, was zu erfolgreicheren Reparaturen führte. Es wurde ein zweites Protein gefunden, das dabei helfen könnte, die DNA während der Reparatur zu stabilisieren, ähnlich wie das Anbringen einer Hülse über einem Schlauch, um ein Verdrehen der DNA zu verhindern.

Die Forscher weisen auf das menschliche Äquivalent dieser Hefeproteine ​​hin, mit der Möglichkeit, dass ihre Hemmung oder Verstärkung zu einer sichereren DNA-Reparatur und -Replikation bei Patienten mit Krebs oder DNA-Wiederholungskrankheiten wie Huntington-Krankheit, myotoner Dystrophie und Friedrich-Ataxie führen könnte.