Das Tor zur DNA-Welt ist meistens geschlossen

Basler Wissenschaftler haben Strukturänderungen der Gyrase aus Bacillus subtilis und der DNA während der Superspiralisierung detailliert beschrieben.

Das Ablesen der genetischen Information ist einer der wichtigsten Lebensprozesse. Diese Information ist in der Sequenz der DNA-Bausteine gespeichert. In der Zelle kontrollieren molekulare Maschinen die Verknäuelung (Superspiralisierung) der DNA-Doppelhelix. Diese so genannten Topoisomerasen stellen sicher, dass die beiden Stränge der DNA-Doppelhelix entwunden und die Erbinformation abgelesen werden kann.

Die Gyrase ist eine einzigartige bakterielle Topoisomerase, die über die Superspiralisierung die Ablesbarkeit der DNA gewährleistet. Menschen besitzen keine Gyrase. Gyrasehemmer werden daher als Antibiotika zur Bekämpfung von Infektionen durch Bakterien und Parasiten entwickelt. Gyrase bildet eine komplexe Struktur aus zwei Hohlräumen. Diese sind von so genannten Toren begrenzt: dem N-Tor am oberen Ende, dem DNA-Tor in der Mitte und dem C-Tor am unteren Ende.

Die Superspiralisierung, bei der sich das Molekül um sich selbst wickelt, findet nach einem Strang-Durchtrittsmechanismus statt. Zunächst bindet ein Abschnitt der DNA-Doppelhelix an das DNA-Tor, das die beiden Hohlräume der Gyrase trennt. Dieser DNA-Abschnitt wird dann gespalten, so dass eine Lücke entsteht, durch die ein zweiter DNA-Abschnitts transportiert wird. Dabei passiert der transportierte DNA-Abschnitt nacheinander das N-Tor, den oberen Hohlraum, das DNA-Tor, den unteren Hohlraum, und das C-Tor. Ein koordiniertes Öffnen und Schliessen aller drei Tore ist für die Funktionsweise der Gyrase also unerlässlich.

Verzerrung entriegelt das Tor

Die Forschungsgruppe um Prof. Dagmar Klostermeier konnte zeigen, dass die ans DNA-Tor gebundene DNA in einem ersten Schritt der Superspiralisierung stark verzerrt wird. Diese Verzerrung ist an die Spaltung der DNA gekoppelt und ist vermutlich der Schritt, der das Öffnen des DNA-Tors ermöglicht, indem er das Tor entriegelt. Ein im oberen Hohlraum eingeschlossenes zweites DNA-Molekül kann in einem zweiten Schritt das Öffnen des DNA-Tors für den Strangdurchtritt auslösen.

Die Forscher fanden ausserdem heraus, dass sich das DNA-Tor während der Gyrase-Aktivität nur sehr kurz öffnet, um den Strangdurchtritt zu erlauben. DNA-Strangbrüche sind prinzipiell gefährlich und können zu schwerwiegenden Schäden, sogar zum Tod des Organismus führen. Durch eine strikte Kontrolle des DNA-Tors minimieren Gyrasen diese Gefahr.

Gyrasehemmer verhindern Öffnung

Inhibitoren aus der Klasse der Quinolone, wie sie beispielsweise in der Malaria-Therapie eingesetzt werden, stabilisieren den Komplex der Gyrase mit der Tor-DNA. Die Forscher am Biozentrum zeigten nun, dass die DNA in Anwesenheit dieser Inhibitoren nicht verzerrt wird, und das DNA-Tor sich im Gegensatz zu früheren Annahmen im geschlossenen Zustand befindet. Ein detailliertes Verständnis des Mechanismus der DNA-Gyrase liefert die Basis für die weitere Entwicklung und Verbesserung von Gyrasehemmern.

Originalveröffentlichung: Airat Gubaev, Manuel Hilbert, and Dagmar Klostermeier; "The DNA-gate of B. subtilis gyrase is predominantly in the closed conformation during the DNA supercoiling reaction"; Proceedings of the National Academy of Sciences, Published online before print July 29, 2009