DNA-Pannendienst bei Doppelstrangbruch

Doppelstrangbrüche der DNA können verheerend sein, sind aber leider unvermeidbar. Pflanzen verfügen daher über ein ausgeklügeltes Reparatursystem. Lange standen Forscher jedoch vor einem scheinbar unlösbaren Rätsel: Wie schaffen es betroffene Pflanzenzellen, DNA-Doppelstrangbrüche durch homologe Rekombination zu reparieren, obwohl der Zellzyklus unterbrochen ist und wichtige Enzyme eigentlich fehlen? Ein internationales Forscherteam mit Beteiligung aus Deutschland ist kürzlich auf die Lösung gestoßen: Pflanzen verfügen eigens für diesen Zweck über einen speziellen Enzymkomplex: CDKB1-CYCB1.

Schäden an der DNA sind eine heikle Angelegenheit für jeden Organismus. Schließlich sind auf ihr fast alle Informationen gespeichert, die für den Betrieb einer Zelle nötig sind. Fehlende oder veränderte Basen, falsche Basenpaarungen, Deletionen oder Insertionen von einzelnen Nukleotiden bis hin zu ganzen DNA-Abschnitten sowie Einzel- oder Doppelstrangbrüche bilden die häufigsten Schadensformen. So schwerwiegend und vielschichtig ihre Folgen auch sind, zu vermeiden sind sie aufgrund der langen Liste der möglichen Ursachen leider nicht. Allein in einer einzigen Säugetierzelle können Schätzungen zufolge innerhalb von 24 Stunden bis zu 60.000 DNA-Schäden auftreten.

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Besitzen Pflanzen den besseren DNA-Reparaturservice?

Mit all diesen fertig zu werden, ist Aufgabe eines ausgeklügelten DNA-Reparatursystems, das wir mittlerweile, wenn es um uns Menschen geht, einigermaßen gut verstehen. Anders sieht es jedoch bei Pflanzen aus. Und das, obwohl gerade sie über besonders effektive Reparaturmechanismen und -werkzeuge zu verfügen scheinen. So zeigte im Jahr 2005 ein Vergleich zwischen Pflanzenzellen und den Eizellen des chinesischen Zwerghamsters (Cricetulus griseus), dass bei Ersteren um ein Drittel weniger Doppelstrangbrüche zu verzeichnen waren, nachdem beide derselben Dosis ionisierender Strahlung ausgesetzt waren. Auch tolerierten jene eine höhere Zahl von Doppelstrangbrüchen, bevor sie den Geist aufgaben und starben.

Neue Einblicke mit deutscher Beteiligung

Grundlagenforscher, aber auch Pflanzenzüchter und viele Landwirte waren angesichts dieser Beobachtung überrascht und begannen, sich einmal mehr mit dem DNA-Reparaturapparat von Pflanzen zu beschäftigen. Mit Beteiligung aus Deutschland gelang es nun einem internationalem Team von Pflanzenforschern, einen bisher unbekannten Mechanismus offen zu legen, der vielen bis dato große Kopfschmerzen bereitet hatte.

Wie im Jahr 2005 ging es auch diesmal um DNA-Doppelstrangbrüche und die Frage, wie Pflanzenzellen die Reparatur steuern. Das Problem, das vielen Kopfzerbrechen bereitete, war weniger der Reparaturvorgang an sich, sondern Grundlegenderes. Doch der Reihe nach. Denn um besser nachvollziehen zu können, worin der Durchbruch bestand, ist es wichtig, zumindest die Grundzüge der Reparatur von Doppelstrangbrüchen zu kennen.

Wie beheben Pflanzen DNA-Doppelstrangbrüche?

Wie der Name Doppelstrangbruch bereits sagt, handelt es sich um die Durchtrennung beider Nukleotidketten der DNA. Eine besonders gefährliche Schadensform, die durch chemische Mutagene, mechanische Einflüsse oder ionisierende Strahlung, wie z.B. UV-Licht, ausgelöst werden kann. Pflanzen sind in der Lage, Doppelstrangbrüche auf zwei Weisen zu beheben.

Einerseits durch das simple Schließen der Lücke durch das Verbinden der losen Strangenden, nachdem die beschädigten Nukleotide von speziellen Reparaturenzymen entfernt worden sind, „Non-homologous end-joining“ (NHEJ) genannt. Andererseits – und darum geht es im Folgenden – durch das Ersetzen des kaputten DNA-Abschnitts, auch bekannt als homologe Rekombination (HR). Da hierbei eine Vorlage für den zu ersetzenden DNA-Abschnitt benötigt wird, ist sie nur in bestimmten Phasen des Zellzyklus möglich. Nämlich erst dann, wenn ein Schwesterchromosom als Matrize zur Verfügung steht. Dies ist frühestens ab der Synthese-Phase (S-Phase) der Fall.

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Zeit gewinnen für die DNA-Reparatur

Um Zeit für die Reparatur zu gewinnen, stoppt die Pflanzenzelle vorrübergehend ihren Zellzyklus, indem sie die Produktion und Aktivität von speziellen Enzymen, den Cyclinen (CYC) und den Cyclin-abhängigen Kinasen (CDK), herunterfährt. Ihre Aufgabe besteht normalerweise darin, der Pflanzenzelle dabei zu helfen, von einer Phase des Zellzyklus in die nächste überzugehen. Für jede Phase bzw. jeden Übergang stehen eigene Varianten von Cyclinen und Cylin-abhängigen Kinasen zur Verfügung, die zum entsprechenden Zeitpunkt ihren Konzentrationshöhepunkt in der Zelle erreichen: Cyclin E beim Übergang von der G1-Phase zur S-Phase, Cyclin A von der S-Phase zur G2-Phase, Cyclin B von der G2-Phase zur Mitosephase (M-Phase).

Forscher standen vor einem Rätsel

Und genau hier lag das Rätsel: Denn um einen Doppelstrangbruch mithilfe der homologen Rekombination zu reparieren, benötigen die Reparaturenzyme nachweislich Cycline und die dazugehörigen Cyclin-abhängigen Kinasen. Forscher standen vor einem Rätsel, einige sprachen sogar von einem Dilemma. Stets hatten sie nämlich mit Pflanzenzellen zu tun, die hervorragend in der Lage waren, Doppelstrangbrüche während des unterbrochenen Zellzyklus zu reparieren. Doch wie kann das sein? Wie können Pflanzenzellen Doppelstrangbrüche reparieren, wo doch die benötigten Cycline kaum mehr zur Verfügung stehen und auch die Cyclin-abhängigen Kinasen nicht mehr aktiv sein dürften?

Für jeden Anlass das richtige Werkzeug

Wie sich nun herausstellte verfügen Pflanzen eigens für die Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen über eine eigene Klasse von Cyclinen und Cyclin-abhängigen Kinasen: Cyclin B1 (CYCB1) bzw. die Cyclin-abhängige Kinase B1 (CDKB1). Während die Pflanzenzelle die Produktion und Aktivität des für das Fortlaufen des Zellzyklus relevanten Cyclin B und der abhängigen Kinase stoppt, aktiviert sie im Gegenzug CYCB1 und CDKB1. Dass beide stets in einem Atemzug genannt werden, liegt übrigens daran, dass Cycline in der Regel nur in Kombination mit einer entsprechend abhängigen Kinase aktive Komplexe bilden können.

Wie passt der Enzymkomplex ins Bild?

Im Großen und Ganzen lautet das Ablaufschema wie folgt: Hat ein speziell darauf trainiertes Enzym, die Serin-Proteinkinase ATM, einen Doppelstrangbruch entdeckt, informiert sie einen der zentralen Regulatoren des zellulären DNA-Reparaturapparats, den Transkriptionsfaktor SOG1. Dieser wiederum aktiviert umgehend das Gen, das die Informationen zur Herstellung von Cyclin B1 enthält.

Anders sieht es bei CDKB1 aus. Hier müsse noch erforscht werden, wie genau die Produktion angekurbelt wird, räumen die Forscher ein. Feststeht nur, dass die Serin-Proteinkinase ATM keinen Einfluss auf diese hat, es also einen weiteren Weg geben muss, den es noch zu entdecken gilt.

Wichtiger Mittler bei der DNA-Reparatur

Für das Nachvollziehen des Ablaufschemas ist dies jedoch zweitrangig. Nach und nach beginnen die frisch produzierten CYCB1- und CDKB1-Moleküle, zu Enzymkomplexen zu verschmelzen, die wiederum als Transkriptionsfaktoren den nächsten Schritt einleiten: die Genexpression von Rad51. Das Genprodukt ist das gleichnamige Protein, das nun das Zepter bei der homologen Rekombination übernimmt und die Lücke am Doppelstrangbruch nach dem Vorbild des Schwesterchromosoms wieder auffüllt.

Wie geht’s weiter?

Die Arbeit der Forscher leistet einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis, wie Pflanzenzellen DNA-Doppelstrangbrüche beheben. Obwohl der gezielte Doppelstrangbruch und die DNA-Rekombination zu den Grundlagen der genetischen Transformation von Organismen zählen und, so könnte man meinen, Wesentliches lange bekannt sein dürfte, sieht es in der Realität anders aus. Vor allem bei Pflanzen, bei denen noch herauszufinden gilt, nach welchen Prinzipien sie Doppelstrangbrüche entweder mithilfe des „Non-homologous end-joining“ reparieren oder der homologen Rekombination, welche Signalwege jeweils eine Rolle spielen und, ob und wie beide Varianten möglicherweise verknüpft sind.

Die Forscher hoffen, dass ihre Untersuchungen an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana möglichst bald auch an anderen Pflanzenarten fortgesetzt werden. Da DNA-Schäden ab einem gewissen Grad sowohl das Wachstum als auch die Erträge von Nutzpflanzen schmälern, könnte dies die Grundlage bilden, die DNA-Reparatur züchterisch zu optimieren. Pflanzen ließen sich so z. B. vor den Folgen von zu viel UV-Licht schützen.