23.07.2020 - Imperial College of London

Erstmals Bildung von Quadrupel-Helix-DNA in lebenden menschlichen Zellen verfolgt

Die Biologie der DNA muss neu überdacht werden

Die Bildung von viersträngiger DNA wurde in lebenden menschlichen Zellen verfolgt, so dass die Wissenschaftler sehen konnten, wie sie funktioniert und welche Rolle sie möglicherweise bei Krebs spielt.

Die DNA bildet normalerweise die klassische Doppelhelixform, die 1953 entdeckt wurde - zwei umeinander gewundene Stränge. In Reagenzgläsern haben sich mehrere andere Strukturen gebildet, was aber nicht unbedingt bedeutet, dass sie sich innerhalb lebender Zellen bilden.

Vierfachhelixstrukturen, die als DNA-G-Quadruplexe (G4s) bezeichnet werden, wurden bereits früher in Zellen nachgewiesen. Die verwendete Technik erforderte jedoch entweder die Tötung der Zellen oder die Verwendung hoher Konzentrationen chemischer Sonden, um die G4-Bildung sichtbar zu machen, so dass ihr tatsächliches Vorhandensein in lebenden Zellen unter normalen Bedingungen bisher nicht verfolgt werden konnte.

Ein Forscherteam der Universität Cambridge, des Imperial College London und der Universität Leeds hat einen Fluoreszenzmarker erfunden, der sich an G4 in lebenden menschlichen Zellen anlagern kann, so dass sie zum ersten Mal sehen können, wie sich die Struktur bildet und welche Rolle sie in den Zellen spielt.

Die Biologie der DNA neu überdenken

Einer der führenden Forscher, Dr. Marco Di Antonio, der die Arbeit an der Universität Cambridge im Labor von Professor Sir Shankar Balasubramanian begann und jetzt ein Forschungsteam in der Abteilung für Chemie bei Imperial leitet, sagte: "Zum ersten Mal konnten wir nachweisen, dass die Vierfachhelix-DNA in unseren Zellen als stabile Struktur existiert, die durch normale zelluläre Prozesse entsteht. Dies zwingt uns, die Biologie der DNA neu zu überdenken. Sie ist ein neues Gebiet der grundlegenden Biologie und könnte neue Wege in der Diagnose und Therapie von Krankheiten wie Krebs eröffnen.

"Jetzt können wir die G4 in Echtzeit in den Zellen verfolgen und können direkt fragen, welche biologische Rolle sie spielen. Wir wissen, dass sie in Krebszellen anscheinend häufiger vorkommen, und jetzt können wir untersuchen, welche Rolle sie spielen und wie sie möglicherweise blockiert werden können, um möglicherweise neue Therapien zu entwickeln.

Das Team glaubt, dass sich G4s in der DNA bilden, um sie vorübergehend offen zu halten und Prozesse wie die Transkription zu erleichtern, bei denen die DNA-Instruktionen gelesen und Proteine hergestellt werden. Dies ist eine Form der "Genexpression", bei der ein Teil des genetischen Codes in der DNA aktiviert wird.

G4s scheinen häufiger mit Genen assoziiert zu sein, die an Krebs beteiligt sind, und werden in größerer Zahl in Krebszellen nachgewiesen. Mit der Fähigkeit, jetzt ein einzelnes G4 auf einmal abzubilden, könnte das Team sagen, sie könnten ihre Rolle innerhalb spezifischer Gene und deren Expression bei Krebs verfolgen. Dieses grundlegende Wissen könnte neue Angriffspunkte für Medikamente aufdecken, die den Prozess unterbrechen.

Natürliche Bildung

Der Durchbruch des Teams, einzelne G4s abbilden zu können, kam mit einem Überdenken der Mechanismen, die normalerweise zur Untersuchung der Funktionsweise von Zellen verwendet werden. Zuvor hatte das Team Antikörper und Moleküle verwendet, die die G4s finden und sich an sie anlagern konnten, aber diese benötigten sehr hohe Konzentrationen des "Sonden"-Moleküls. Dies bedeutete, dass die Sondenmoleküle möglicherweise die DNA stören und sie tatsächlich dazu bringen könnten, G4s zu bilden, anstatt ihre natürliche Bildung nachzuweisen.

Dr. Aleks Ponjavic, jetzt Akademiker an den Schools of Physics & Astronomy und Food Science and Nutrition an der Universität Leeds, leitete gemeinsam die Forschung im Labor von Professor Sir David Klenerman und entwickelte die Methode zur Visualisierung des neuen Fluoreszenzmarkers mit Hilfe der Mikroskopie.

Er sagte: "Wissenschaftler benötigen spezielle Sonden, um Moleküle in lebenden Zellen zu sehen, doch diese Sonden können manchmal mit dem Objekt, das wir zu sehen versuchen, interagieren. Durch die Verwendung der Einzelmolekül-Mikroskopie können wir Sonden in 1000-mal niedrigeren Konzentrationen als bisher üblich beobachten. In diesem Fall bindet unsere Sonde nur für Millisekunden an das G4, ohne dessen Stabilität zu beeinträchtigen, was es uns ermöglicht, das Verhalten des G4 in seiner natürlichen Umgebung ohne äußere Einflüsse zu untersuchen".

Für die neue Sonde verwendete das Team ein sehr "helles" fluoreszierendes Molekül in kleinen Mengen, das so konzipiert war, dass es sehr leicht an den G4s haftet. Die geringen Mengen bedeuteten, dass sie nicht hoffen konnten, jedes G4 in einer Zelle abzubilden, sondern stattdessen einzelne G4s identifizieren und verfolgen konnten, wodurch sie ihre grundlegende biologische Rolle verstehen konnten, ohne ihre allgemeine Prävalenz und Stabilität in der Zelle zu stören.

Das Team konnte zeigen, dass G4 sich sehr schnell zu bilden und zu zerstreuen scheinen, was darauf hindeutet, dass sie sich nur bilden, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen, und dass sie möglicherweise, wenn sie zu lange andauern, für normale Zellprozesse toxisch sein könnten.

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