Die Geheimnisse der DNA-Reparatur entschlüsseln

Unser Körper ist ein Experte darin, auf unsere DNA aufzupassen und überwacht kontinuierlich alle Schäden, die repariert werden müssen, damit wir gesund bleiben. Teile der DNA, die sehr repetitiv sind, wie die Sequenz, die die Huntington-Krankheit (HK) verursacht, sind sehr schwer zu pflegen, und unser Körper kann versuchen, sie zu reparieren, aber es schlimmer machen! Dies kann dazu führen, dass die Repeat-Sequenzen länger und für unsere Zellen noch giftiger werden. In dieser Studie, die von der CHDI-Stiftung geleitet wurde, untersuchen Forscher detailliert die Proteine, die dafür verantwortlich sind, dass diese Sequenzen bei HK länger werden, damit wir eine bessere Vorstellung davon bekommen, wie sie funktionieren und wie wir sie möglicherweise stoppen können. Schauen wir uns das genauer an.

Der fehlerhafte Reißverschluss: Wie die DNA-Reparatur die HK befeuert

DNA besteht aus vier Buchstaben: A, T, G und C. Sequenzen dieser Buchstaben bilden die Anweisungen, die unserem Körper sagen, wie er all die verschiedenen Proteine herstellen soll, die wir zum Funktionieren und Gesundsein benötigen. Bei der HK gibt es eine längere Strecke von C-A-G-Buchstabenwiederholungen in der Sequenz für das Huntingtin-Gen. Im Laufe des Lebens kann die Größe dieser Wiederholungen in einigen der von der HK am stärksten betroffenen Gehirnzellen länger werden. Dieser Prozess wird als somatische Expansion bezeichnet.

Stellen Sie sich vor, die DNA in Ihren Zellen ist wie der Reißverschluss an einer Jacke, und die Reißverschlusszähne sind die Buchstaben der DNA. Normalerweise bewegt sich der Reißverschluss reibungslos auf und ab, aber es kann schwache Stellen geben, an denen sich leicht eine Beule oder Schleife bilden kann.

Sie haben einen Schneider, der Reißverschlussfehler behebt, und meistens sind sie äußerst hilfreich. Aber an der schwachen Stelle im Reißverschluss verschlimmert der Schneider das Problem manchmal, und anstatt die Beule abzuflachen, fügt er zusätzliche Zähne in den Reißverschluss ein.

Wenn der Reißverschluss jetzt jedes Mal geöffnet und geschlossen wird, hat die schwache Stelle die Chance, größer zu werden. Bei der HK ist die schwache Stelle wie die C-A-G-Wiederholungen in der Huntingtin-DNA, und der Schneider ist die DNA-Reparaturmaschinerie in der Zelle. Dies ist ein wichtiger Wächter der DNA in unseren Zellen, insbesondere um Veränderungen unserer DNA-Sequenz zu verhindern, die Krebs verursachen könnten. Trotzdem können lange C-A-G-Wiederholungen, wie sie bei der HK vorkommen, die Reparaturreaktion manchmal verwirren, was dazu führt, dass die Wiederholungen noch länger werden. Dieser Prozess wird als somatische Expansion bezeichnet, und einige Wissenschaftler glauben, dass dies dazu führen kann, dass einige Gehirnzellen krank werden.

Ein wichtiger Teil des an der Expansion beteiligten DNA-Reparatur-Schneiders sind zwei Proteine namens MSH2 und MSH3. Sie arbeiten als Team zusammen und sind zusammen als MutSβ (ausgesprochen Mute-Ess-Beta) bekannt. Frühere Analysen der DNA von Tausenden von Personen mit HK haben uns gezeigt, dass MutSβ das Alter beeinflussen kann, in dem die Symptome beginnen. Aus diesem Grund ist MutSβ zu einem spannenden Bereich der HK-Forschung geworden, der gezeigt hat, dass das Stoppen von MutSβ, das auf den beschädigten DNA-Reißverschluss wirkt, dazu beitragen könnte, die somatische Expansion und das Fortschreiten der Krankheit zu verlangsamen.

Forschungsstudien zeigen uns zunehmend, dass die Hemmung von MSH3 oder die Verringerung der Menge an MSH3 im Gehirn verhindern kann, dass C-A-G-Wiederholungen länger werden, und sogar die C-A-G-Länge verringern kann, was es zu einem spannenden Ziel für neue potenzielle HK-Therapien macht.

Ein kurzer Blick darauf, wie die Mismatch-Reparaturproteine funktionieren

Um besser zu verstehen, wie der MutSβ-Komplex den DNA-Reißverschluss verschlimmern kann, verwendeten die Autoren eine Technik namens Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM). Dies ist eine Möglichkeit, die Form und Struktur von Proteinmolekülen zu betrachten – wie eine Momentaufnahme davon, wie sie zu einem bestimmten Zeitpunkt aussehen.

Stellen Sie sich vor, Sie möchten sehen, wie eine Schneeflocke wirklich aussieht. Wenn Sie sie zu lange auf Ihrem Handschuh liegen lassen, nachdem sie gelandet ist, schmilzt sie oder ändert ihre Form, bevor Sie alle ihre komplizierten Details sehen können.

Kryo-EM funktioniert wie eine Kamera für winzige biologische „Schneeflocken“. Proben werden schnell gefroren, so dass das Protein in seiner natürlichen Form gefangen ist. Es werden viele Schnappschüsse gemacht, die verschiedene Formen und Positionen erfassen können, die das Protein bilden kann. Dies hilft uns, zusammenzusetzen, wie die Proteine ihre Konformationen ändern, um ihre Aufgaben zu erfüllen.

In dieser Studie verwendeten die Wissenschaftler Kryo-EM, um ein Bild von MutSβ sowohl vor als auch nach der Bindung an DNA aufzunehmen. Sie konnten 9 verschiedene Bilder von MutSβ erstellen, darunter die folgenden Bedingungen:

• Wenn es nicht an DNA haftet
• Wenn es an normale, fehlerfreie DNA gebunden ist
• Wenn es an DNA mit nicht übereinstimmender DNA gebunden ist

Diese Bilder zeigen, wie sich der MutSβ-Komplex bewegt und seine Form verändert, wenn er Fehler in der DNA entdeckt. Normalerweise hilft dies der Zelle, die DNA zu reparieren, aber im Fall von HK kann es die Sache verschlimmern.

Die Forscher fanden heraus, dass die Form und Position von MutSβ davon abhängen, ob es an DNA sowie an kleine Energiemoleküle wie ATP gebunden ist. ATP-Moleküle sind wie die Energiepakete der Zelle, ein bisschen wie Treibstoff für einen Motor, der alles am Laufen halten kann. Beide Teile von MutSβ, MSH2 und MSH3, können ATP aufnehmen und es verwenden, um Reparaturen an der DNA durchzuführen.

Die Schnappschüsse von MutSβ aus dieser Studie zeigen, dass es in einer offenen Klammerform beginnt. Diese offene Klammer kann sich an DNA festhalten und sie entlang scannen, um nach Fehlern im DNA-Reißverschluss zu suchen. Wenn ein Fehler gefunden wird, schnappt die Klammer zu und kann, angetrieben von ATP, entlang der DNA gleiten. Dies löst die nächsten Schritte des Reparaturprozesses aus. Sobald seine Aufgabe erledigt ist, verwendet MutSβ mehr ATP, um sich von der DNA zu lösen.

Warum interessiert uns die MutSβ-Struktur?

Indem wir die Form von MutSβ so detailliert wie möglich herausfinden, insbesondere wenn es seine Aufgabe der DNA-Reparatur ausführt, können wir Taschen auf der Proteinoberfläche finden, an denen ein zukünftiges Medikament haften könnte, um diesen Prozess zu stoppen. Wie die Suche nach dem richtigen Schlüssel, der perfekt in ein bestimmtes Schlüsselloch passt. Wenn wir wissen, wie das Protein aussieht, können wir perfekt ein Medikament entwerfen, das irgendwo fest an das Protein binden und verhindern sollte, dass es funktioniert. Letztendlich könnte die Fähigkeit, die C-A-G-Repeat-Expansion zu stoppen oder sogar umzukehren, ein großartiger therapeutischer Weg für HK sein, sowie für andere Krankheiten, die ebenfalls durch Repeat-Expansion verursacht werden, einschließlich mehrerer spinozerebellärer Ataxien und spinaler und bulbärer Muskelatrophie.

Zusammenfassung:

• MutSβ (MSH2 + MSH3) ist eine DNA-Reparaturmaschine, die normalerweise hilft, krebsverursachende Mutationen zu verhindern.
• Bei der HK kann MutSβ versehentlich CAG-Wiederholungen im HTT-Gen verlängern, was vermutlich zu neuronalem Tod und einem schnelleren Fortschreiten der Krankheit führt.
• Neue Daten über die 3D-Struktur der MutSβ-Proteine und wie diese molekulare Maschine funktioniert, werden die Entwicklung von Medikamenten unterstützen, die ihre Aktivität hemmen und die Verlängerung von CAG-Wiederholungen verhindern können.

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Original-Forschungsartikel, „Aufklärung mehrerer hochauflösender Zustände von humanem MutSβ durch Kryo-EM zeigt das Zusammenspiel zwischen ATP/ADP-Bindung und Heteroduplex-DNA-Erkennung“ (Open Access).