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Mysteriöse neue DNA-Struktur in lebenden menschlichen Zellen gefunden

Vor etwa 65 Jahren machten James D. Watson und Francis H.C. Crick eine aufschlussreiche Entdeckung. „Wir haben das Geheimnis des Lebens gefunden!“ Crick blurted heraus in einem Pub, Watson würde später behaupten, nachdem das Paar die berühmte Doppelhelixstruktur der DNA abbildete.

 neue DNA-Struktur in lebenden menschlichen Zellen

Jetzt haben Wissenschaftler herausgefunden, dass das „Geheimnis des Lebens“ – die DNA – eine andere Art von Struktur besitzt. Neben der doppelsträngigen Spirale hat sich ein viersträngiges Gewirr, ein so genanntes i-Motiv, in unserem gesamten Erbgut gezeigt. Sein Nachweis in menschlichen Zellen deutet darauf hin, dass es natürlich vorkommt und eine biologische Rolle spielen könnte, die gezielt zur Behandlung von Krankheiten wie Krebs eingesetzt werden könnte.

„Die Menschen hatten bereits gezeigt, dass man diese i-Motiv-Strukturen im Reagenzglas mit Labortechniken bilden kann“, sagt Daniel Christ, Leiter der Antikörpertherapie am Garvan Institute of Medical Research in Australien und Mitautor einer Studie über die DNA-Strukturen, die am 23. April in Nature Chemistry veröffentlicht wurde. „Herausragend war jedoch die Bestätigung, dass diese Strukturen tatsächlich in lebenden menschlichen Zellen existieren. Das haben wir jetzt gezeigt, und das bedeutet, dass in unseren Zellen völlig andere DNA-Strukturen existieren.“

 

Fluoreszierendes Tracking

In der neuen Studie entwickelten Christ und seine Kollegen vom Garvan Institute, Mahdi Zeraati und Marcel Dinger, ein Antikörperfragment, das gezielt nach i-Motiven sucht und diese bindet. Der Antikörper wurde mit einem biologischen Marker ausgestattet, der unter Fluoreszenzlicht leuchtet. Auf diese Weise konnte das Team durch die Identifizierung von Fluoreszenzmarkern in den Zellkernen feststellen, wo sich die i-Motive befinden.

Die Methode, so sagt Christus, „bewegt die Latte“, wenn es darum geht, unser Verständnis von i-Motiven voranzubringen, da das Wissen, wo sie auftreten, Hinweise darauf geben kann, was sie tun können. Die menschliche DNA stellt ein Wunder in genialer Verpackung dar. Wenn die DNA aus einer Zelle ausgestreckt würde, würde sie sich über etwa 2 Meter erstrecken. Die Notwendigkeit, 3 Milliarden Basenpaare in einem Raum von nur 6 Mikrometern (0,0002 Zoll) zu pauken, bedeutet, dass das genetische Material in komplizierten Mustern angeordnet und gefaltet ist.

Innerhalb dieser komplizierten Verpackung dominiert die Doppelhelix-Struktur, aber, so Christ, sein Team fand heraus, dass i-Motiv-Strukturen „ziemlich häufig“ sind. Während sie die tatsächliche Anzahl der i-Motive in der DNA noch nicht abschätzen können, sind es wahrscheinlich die 10.000 in jedem Genom, sagt Dinger in einer E-Mail. Sie sind auch „dynamisch“, d.h. sie können sich je nach Bedingungen falten und entfalten.

Die Strukturen bestehen hauptsächlich aus Cytosinen, einer der vier Hauptbasen der DNA (und RNA), sowie Adenin, Guanin und Thymin. Normalerweise binden Cytosine mit Guaninen in der Doppelhelixstruktur der DNA, aber in i-Motiven binden sich Cytosine aneinander und bilden einen Ableger der Doppelhelix.

Die schrulligen Strukturen scheinen auch saure Verhältnisse zu begünstigen. Das sind die Bedingungen, unter denen i-Motive in den 1990er Jahren bei Laborexperimenten entdeckt wurden, und die neuesten Forschungen haben ergeben, dass die Prävalenz der Strukturen innerhalb der menschlichen Zelle zunimmt, wenn die Umwelt sauer wird.

Warum also gibt es diese Strukturen? Wissenschaftler sind sich noch nicht sicher, aber einige Faktoren deuten darauf hin, dass sie eine Rolle bei der Regulierung der Genproduktion spielen könnten. Ein Grund dafür ist, dass i-Motive in erster Linie „stromaufwärts“ auftreten, von wo aus Gene in der DNA-Struktur hergestellt werden, so Randy Wadkins, Professor für Chemie und Biochemie an der Universität von Mississippi, der nicht an der Studie beteiligt war.

„Wir haben etwa 30.000 Gene im menschlichen Genom, aber sie werden nicht ständig hergestellt – es ist kein kontinuierlicher Prozess“, erklärt Wadkins. „Das könnten Mechanismen sein, die wie ein Zifferblatt am Anfang der Genbildung funktionieren, die bestimmen, ob man ein wenig oder viel von diesem Gen macht. Die i-Motive befinden sich in der Regel dort, wo sich solche Zifferblätter befinden.“

 

Möglicher Krebsanschluss

möglicher Krebsanschluss
Wadkins‘ Labor hat die mögliche Rolle von i-Motiven bei Krebs untersucht. Das Problem mit Krebszellen ist, dass sie sich schnell vermehren und ihr Wachstum nicht kontrolliert wird. Wenn die i-Motiv-Struktur eine Rolle bei der Regulierung von Genen spielt, die das Wachstum eines Tumors signalisieren, dann könnte sie ein Ziel für zukünftige Therapien sein, um die Ausbreitung von Krebs zu stoppen.

„Wenn Sie ein kleines Molekül finden könnten, das nur mit dem i-Motiv interagiert, dann könnten Sie vielleicht die Bildung von z.B. Tumorzellen regulieren“, sagt Wadkins und fügt hinzu, dass dies im Moment nur Spekulation ist.