Israelische Krebsstudie zeigt: Mutationen können die DNA-Struktur verändern

Israelische Forscher am Weizmann-Institut für Wissenschaft haben in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Rowan University in New Jersey eine bahnbrechende Krebsstudie durchgeführt, die zeigt, dass Mutationen die physikalische Struktur der DNA verändern können.

Die Forschung deutet zudem darauf hin, dass die Wirksamkeit von DNA-Reparaturenzymen von der physikalischen Struktur und Form der DNA im Umfeld der beschädigten Bereiche abhängt. Die Ergebnisse stellen bisherige Annahmen darüber, wie Mutationen entstehen, in Frage und könnten letztendlich den Weg für personalisiertere Behandlungen von Krebs und anderen genetischen Erkrankungen ebnen.

„Die lokale physikalische Umgebung um eine DNA-Schädigung herum kann einen starken Einfluss darauf haben, wie diese repariert wird“, erklärte der Weizmann-Forscher Dr. Ariel Afek gegenüber der Times of Israel. „Wenn sie sich in eine Richtung biegt oder in eine andere verdreht, könnte dies die Effizienz der Reparatur um das Hundertfache erleichtern oder erschweren.“

Noga Levy leitete ein Forscherteam in Afeks Labor in Zusammenarbeit mit Prof. Brian P. Weiser und weiteren Wissenschaftlern der Rowan University. Die Ergebnisse wurden in der Juli-Ausgabe der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Die Forscher kombinierten Laborexperimente mit Computersimulationen, die Wechselwirkungen auf atomarer Ebene mithilfe genomischer Algorithmen modellierten.

„Manche Forscher untersuchen die Mutation bei Krebspatienten“, sagte Afek. „Wir wollten jedoch einen Schritt zurückgehen und den Prozess betrachten, der die Mutation vor langer Zeit auf atomarer Ebene tatsächlich ausgelöst hat, um den Mechanismus und die molekularen Ursachen wirklich zu verstehen.“

Die Studie könnte Wissenschaftlern letztendlich dabei helfen, DNA-Reparaturenzyme für verschiedene genetische Erkrankungen, darunter auch Krebs, zu entwickeln oder anzupassen, so Afek.

„Warum treffen schädliche Einflüsse wie UV-Licht der Sonne oder Oxidation aus der Luft bestimmte Stellen im Genom stärker als andere, und warum können Reparaturenzyme den Schaden an bestimmten Stellen nicht beheben?“, fragte er.

„Mutationen sind der Kern vieler genetischer Erkrankungen, und wir versuchen, die Bausteine zu verstehen, die dazu führen, dass Mutationen entstehen oder nicht“, fügte er hinzu.

Trotz der Komplexität des menschlichen Körpers besteht die gesamte menschliche DNA aus vier chemischen Basen – Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). Diese Basen sind in unterschiedlichen Sequenzen angeordnet und bilden den genetischen Code, der Milliarden einzelner Buchstaben enthält.

Die neue Studie konzentrierte sich darauf, was in unmittelbarer Nähe beschädigter DNA-Abschnitte geschieht.

„Bisher ging man allgemein davon aus, dass es bei einer Schädigung keine Rolle spielt, was sie umgibt, und dass der nächste Nachbar vielleicht einen geringen Einfluss hat“, sagte Afek.

Die Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass die umgebende genetische Sequenz die physikalische Form der DNA verändern und dadurch die Fähigkeit eines Enzyms beeinflussen kann, beschädigte Abschnitte zu erkennen und zu reparieren.

„Normalerweise wird in der Zelle, wenn ein schädigender Faktor vorliegt, vielleicht eine Stelle im Genom beschädigt, eine andere aber nicht“, sagte Afek. „Das lässt sich nur sehr schwer kontrollieren, aber unter Laborbedingungen haben wir Millionen verschiedener DNA-Sequenzen hergestellt und die Schädigung jeweils an derselben Stelle platziert.“

„Zum ersten Mal konnten wir alle Präferenzen der Reparaturenzyme charakterisieren und begannen zu verstehen, was die Bindungs- und Reparatureffizienz bestimmt und was zu Mutationen führt“, erklärte er.

Prof. Bennett Van Houten vom Institut für Pharmakologie und Chemische Biologie der Universität Pittsburgh ist der Ansicht, dass die Entdeckung „einen langfristigen und nachhaltigen Einfluss auf das Fachgebiet haben wird“.

„Indem sie aufzeigen, dass der umgebende genetische Code die physikalische Struktur der DNA verändert und so direkt beeinflusst, wie gut diese Enzyme Schäden erkennen und beheben, tragen die Ergebnisse dazu bei zu erklären, warum bestimmte Sequenzen in Tumorzellen besonders anfällig für hohe Mutationsraten sind“, sagte Van Houten.

Trotz der Bedeutung der Ergebnisse betonte Afek, dass weitere Forschung erforderlich sei, um die komplexen Prozesse zu verstehen, die DNA-Schäden und deren Reparatur im menschlichen Körper steuern.

„Die Forschung hat dazu beigetragen, einen Teil des Puzzles zu lösen, aber es gibt noch so viel, was unbekannt ist. Das ist nur die Spitze des Eisbergs“, sagte er. „Es gibt noch viel zu erforschen, um viele andere Faktoren zu verstehen, die Mutationen und Reparaturen in unserem Körper beeinflussen.“