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Schadhafte DNA vervielfältigt

15.01.2015 - (idw) Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, Gene mit Veränderungen, wie sie etwa beim Rauchen entstehen und zu Lungenkrebs führen können, zu vervielfältigen. Und zwar so, dass dabei die Information über diese Veränderungen erhalten blieb. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zu einer zukünftigen einfachen Lokalisierung solcher Genveränderungen, womit die Ursachen von Krebs besser untersucht werden können. Am Anfang einer Krebserkrankung steht meist eine kleine Veränderung in der Erbsubstanz. Die DNA einer Körperzelle mutiert an einer Stelle so, dass sich die Zelle nicht mehr kontrolliert vervielfältigt, sondern vielmehr unkontrolliert zu wachsen beginnt. Solche Genmutationen haben in vielen Fällen molekulare Vorstufen: chemische Veränderungen an einzelnen DNA-Bausteinen. Hervorgerufen werden sie unter anderem durch den Konsum von Tabak sowie von bestimmten Nahrungsmitteln wie gepökeltem Fleisch. Denn die Inhaltsstoffe davon können in den Körperzellen mit den DNA-Bausteinen chemisch reagieren und diese verändern, dass sogenannten DNA-Addukte entstehen. Derzeit können Wissenschaftler bestimmen, ob und in welcher Zahl bestimmte Genproben Addukte enthalten. Das ist allerdings äussert aufwendig, und es war bisher nicht möglich zu eruieren, an welcher Stelle im genetischen Code ein Baustein in ein Addukt verändert worden ist.

Forschenden aus der Gruppe von Shana Sturla, Professorin für Lebensmittel- und Ernährungstoxikologie, ist es nun erstmals gelungen, Genproben, welche DNA-Addukte enthalten, so zu vervielfältigen, dass ein Hinweis auf diese Addukte in den Kopien erhalten bleibt. Eine solche Vervielfältigung ist Voraussetzung für die meisten Techniken, mit denen Wissenschaftler die Abfolge von DNA-Bausteinen in einem Gen bestimmen. Somit scheint es möglich, die DNA-Sequenzierung in Zukunft von den vier DNA-Grundbausteinen auf Addukte auszuweiten. «Die Wissenschaft hätte damit ein wichtiges Hilfsmittel zur Hand, um die molekularen Mechanismen bei der Entstehung von Krebs detailliert zu untersuchen und Risikofaktoren dafür zu finden», sagt Sturla.

Synthetisches Gegenstück gefunden

Für ihre Arbeit konzentrierten sich die Forschenden auf ein bestimmtes, typisches DNA-Addukt, ein Alkylguanin namens O-6-Benzylguanin. In Tests im Reagenzglas stellten sie eine Enzymreaktion nach, ähnlich wie sie auch natürlicherweise in Körperzellen stattfindet, um dort im DNA-Vervielfältigungsprozess eine Negativ-Kopie der Erbsubstanz zu erhalten.

Dazu mussten die Wissenschaftler zunächst ein synthetisches Gegenstück des Alkylguanins finden, das in der Negativ-Kopie an dessen Position eingebaut wurde. Denn zu den DNA-Grundbausteinen gibt es in der Natur passende molekulare Gegenstücke, nicht jedoch zu den DNA-Addukten. Dies ist der Grund, warum es normalerweise bei der Vervielfältigung von Genen, die Addukte enthalten, zu Kopiefehlern, also Mutationen kommt.

Die ETH-Wissenschaftler stellten im Labor mehrere synthetische Abkömmlinge von DNA-Grundbausteinen her und testeten sie als potenzielle Gegenstücke des Alkylguanins. Einer davon erwies sich als besonders geeignet. Den Forschenden war es damit möglich, eine Negativ-Kopie eines Alkylguanin enthaltenen Genstücks herzustellen.

Ziel der Arbeit von Sturla und ihren Kollegen war, aufzugzeigen, dass eine Vervielfältigung von Genen, die Addukte enthaltenen, prinzipiell möglich ist. In weiterer Forschungsarbeit wäre es nun möglich, nach demselben Ansatz auch synthetische Gegenstücke zu anderen Addukten finden. Damit könnten künftig veränderte Gene vervielfältigt und auf einfache Weise deren Sequenz aufgeklärt werden, wie die ETH-Professorin sagt. Shana Sturla erhielt 2010 vom Europäischen Forschungsrat ein über fünf Jahre dauerndes «ERC Starting Grant» zugesprochen. Das vorliegende Projekt wurde damit mitfinanziert.


Literaturhinweis
Wyss LA, Nilforoushan A, Eichenseher F, Suter U, Blatter N, Marx A, Sturla SJ: Specific incorporation of an artificial nucleotide opposite a mutagenic DNA adduct by a DNA polymerase. Journal of the American Chemical Society, 9. Dezember 2014, doi: 10.1021/ja5100542
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