Den Code der DNS-Faltmaschinen knacken
Wenn sich eine Zelle teilt, muss sie ihre DNS duplizieren und organisieren, was angesichts der Länge und Komplexität des genetischen Materials eine enorme Aufgabe ist. Die DNS ist ähnlich einem langen Faden vorstellbar, der eng und präzise auf kleinstem Raum verpackt werden muss, ohne dass ein Durcheinander entsteht.
Falten und Organisieren von DNS
Das Team des mit Unterstützung des Europäischen Forschungsrats(öffnet in neuem Fenster) durchgeführten Projekts CHROCODYLE(öffnet in neuem Fenster) hat sich zum Ziel gesetzt, genau zu verstehen, wie diese Verpackung realisiert wird. Zu diesem Zweck konzentrierten sich der Projektkoordinator Stephan Gruber und sein Team an der Universität Lausanne(öffnet in neuem Fenster) in der Schweiz auf die SMC-Komplexe (Structural Maintenance of Chromosomes), Proteinmaschinen, die die DNS aktiv falten und organisieren. Diese Komplexe sind unerlässlich, um das genetische Material intakt zu halten, das für das Überleben und die Funktion der Zellen hochwichtig ist. Eine Schlüsselrolle spielt dabei das Condensin, einer der SMC-Komplexe, die die DNS zu Schleifen formen. Diese Schleifen sind von entscheidender Bedeutung für die DNA-Reparatur sowie dafür, dass die Chromosomen bei der Zellteilung richtig verteilt werden. Die genauen Mechanismen, wie sich SMC-Komplexe entlang der DNS bewegen und Schleifen bilden, sind jedoch noch unklar. Das Team von CHROCODYLE hat sich zum Ziel gesetzt, das zu ändern.
Gentechnologie im Hochdurchsatzverfahren
Um diese Herausforderung zu meistern, wandte sich das Team einem einfacheren Modellorganismus zu: dem Bakterium Bacillus subtilis, das eine Version des Condensin-Komplexes enthält, die einfacher als sein Gegenstück beim Menschen zu erforschen ist. Auf diese Weise konnten die Forschenden eine Hochdurchsatz-Gentechnologie anwenden und dabei mehr als 1 000 mutierte Bakterienstämme mit spezifischen Veränderungen in den SMC-Proteinen erzeugen. Diese Mutanten kamen dann in einem chemischen Vernetzungsverfahren zum Einsatz, um die molekulare Struktur des SMC-Komplexes mit hoher Präzision abzubilden. „Wir gelangten zu einem sehr detaillierten Bild davon, wie die bakterielle SMC-Maschine aussieht und wie ihre verschiedenen Teile angeordnet sind“, sagt Gruber. Gleichzeitig untersuchten die Forschenden, wie SMC-Komplexe sowohl in vitro als auch in lebenden Bakterienzellen mit der DNS interagieren. Sie wendeten fortgeschrittene Werkzeuge wie etwa Kristallografie, Mikroskopie, ChIP-Seq und Hi-C an, um zu beobachten, wo und wie SMC-Komplexe an Chromosomen binden und einwirken. Diese Kombination aus Struktur- und Funktionsuntersuchungen verschaffte ihnen einen umfassenden Überblick über die Funktionsweise der SMC-Maschinerie. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Forschung war die Entwicklung eines neuen Modells der Extrusion von DNS-Schleifen, d. h. für die Bewegung von SMC-Komplexen entlang der DNS. „Der SMC-Motor bewegt sich in großen Schritten und kann sowohl kleine als auch große Hindernisse auf der DNS problemlos umgehen“, erklärt Gruber. „Das ist anders als alles, was bisher für andere DNS-Motoren vorgeschlagen wurde.“
Von Bakterien zu Durchbrüchen
Die Auswirkungen der Arbeit von CHROCODYLE erstrecken sich weit über die bakterielle Biologie hinaus. Beim Menschen werden funktionsgestörte SMC-Proteine mit angeborenen Krankheiten und Fehlbildungen in Verbindung gebracht; und sie sind bei Krebs häufig mutiert. Die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse könnten uns helfen, die diese Krankheiten verursachenden spezifischen molekularen Fehler zu verstehen, woraus möglicherweise Ideen für zukünftige Behandlungen resultieren könnten. „Unsere Arbeit könnte letztlich dazu beitragen, die molekularen Defekte aufzudecken, die diese Krankheiten verursachen, sowie Einblicke in mögliche Therapien geben“, fügt Gruber hinzu. Außerdem könnte das Verständnis der SMC-Maschine bei Bakterien potenziell zur Entwicklung neuer Wirkstoffe zur Bekämpfung bakterieller Infektionen beitragen. Diese Erkenntnisse weisen einen Weg, um Antibiotikaresistenzen zu bekämpfen, die eine der drängendsten Herausforderungen der heutigen globalen Gesundheit darstellen. Zu guter Letzt hat das Projektteam auch den Grundstein für zukünftige Durchbrüche gelegt. Mit neuen Verfahren wie der Kryo-Elektronenmikroskopie können die Forschenden nun SMC-DNS-Strukturen mit nahezu atomarer Auflösung betrachten und somit die Ergebnisse von CHROCODYLE bestätigen und erweitern. Dieser Fortschritt bedeutet für die Erforschung der wesentlichen molekularen Maschinen des Lebens einen beachtlichen Schritt nach vorn.
