Menschen und Backhefe haben mehr gemeinsam, als man auf den ersten Blick sieht, darunter einen wichtigen Mechanismus, der dazu beiträgt, dass die DNA korrekt kopiert wird, berichten zwei Studien, die in den Zeitschriften Wissenschaft Und Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Die Ergebnisse machen zum ersten Mal einen Molekülkomplex sichtbar, der beim Menschen CTF18-RFC und bei Hefe Ctf18-RFC genannt wird und der die DNA mit einer „Klammer“ befestigt, um zu verhindern, dass Teile des Replikationsapparats vom DNA-Strang abfallen.
Es handelt sich um die neuste Entdeckung der langjährigen Mitarbeiter Huilin Li, Ph.D., vom Van Andel Institute, und Michael O’Donnell, Ph.D., von der Rockefeller University. Sie wirft Licht auf die komplexen Mechanismen, die die zuverlässige Weitergabe genetischer Informationen von Zellgeneration zu Zellgeneration ermöglichen.
„Das genaue Kopieren von DNA ist für die Fortpflanzung des Lebens von grundlegender Bedeutung“, sagte Li. „Unsere Erkenntnisse fügen dem Puzzle der DNA-Replikation wichtige Teile hinzu und könnten das Verständnis von mit der DNA-Replikation verbundenen Gesundheitszuständen verbessern.“
Die DNA-Replikation ist ein streng kontrollierter Prozess, bei dem der genetische Code kopiert wird, sodass seine Anweisungen von einer Zellgeneration an die nächste weitergegeben werden. Bei Krankheiten wie Krebs können diese Mechanismen versagen, was zu einer unkontrollierten oder fehlerhaften Replikation mit verheerenden Folgen führt.
Bisher wurden mindestens 40 Krankheiten, darunter viele Krebsarten und seltene Leiden, mit Problemen bei der DNA-Replikation in Verbindung gebracht.
Der Prozess beginnt mit dem Aufbrechen der leiterartigen Struktur der DNA, wodurch zwei Stränge entstehen, die als Leit- und Folgestränge bezeichnet werden. Ein molekulares Konstruktionsteam setzt dann die fehlenden Hälften der Stränge zusammen und verwandelt eine einzelne DNA-Helix in zwei Hälften. Ein Großteil dieser Arbeit fällt den Enzymen namens Polymerasen zu, die die Bausteine der DNA zusammensetzen.
Alleine können Polymerasen jedoch nicht gut am DNA-Strang bleiben. Sie benötigen CTF18-RFC beim Menschen und Ctf18-RFC bei Hefe, um eine ringförmige Klammer auf den DNA-Vorderstrang zu fädeln, und einen weiteren Klammerlader namens RFC beim Menschen und bei Hefe, um die Klammer auf den Folgestrang zu fädeln. Die Klammer schließt sich dann und signalisiert den Polymerasen, dass sie mit der DNA-Replikation beginnen können.
Mithilfe leistungsstarker Kryo-Elektronenmikroskope konnten Li, O’Donnell und ihre Teams bislang unbekannte Aspekte der Strukturen der Leitstrang-Klemmlader enthüllen, darunter einen „Haken“, der die Leitstrang-Polymerase zwingt, den neuen DNA-Strang loszulassen, damit dieser vom Klemmlader erkannt werden kann.
Diese Unterscheidung stellt einen wesentlichen Unterschied zwischen den Funktionen des führenden Strang-Clamp-Loaders (CTF18-RFC) und des nachfolgenden Strang-Clamp-Loaders (RFC) dar und beleuchtet einen wichtigen Aspekt der unterschiedlichen DNA-Duplikationsmechanismen auf den führenden und nachfolgenden Strängen.
Schließlich wurden in der Studie gemeinsame Merkmale zwischen den Leitstrang-Klemmenladern der Hefe und des Menschen festgestellt, die eine evolutionäre Verbindung zwischen beiden belegen. Diese Erkenntnis unterstreicht den Wert der Hefe als leistungsfähiges und dennoch einfaches Modell für die Erforschung der Genetik.
Mehr Informationen:
Zuanning Yuan et al., Mechanismus der PCNA-Beladung durch Ctf18-RFC für die Synthese des Leitstrangs der DNA, Wissenschaft (2024). DOI: 10.1126/science.adk5901. www.science.org/doi/10.1126/science.adk5901
Qing He et al., Cryo-EM zeigt einen nahezu vollständigen PCNA-Ladeprozess und einzigartige Merkmale des menschlichen alternativen Clamp Loaders CTF18-RFC, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2319727121