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Cisplatin
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Wie die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift
"Science" berichten, verdoppelt die DNA-Polymerase "Eta" die DNA trotz der
Blockade durch Cisplatin - und erzeugt so Resistenz gegen den Wirkstoff.
Mit Hilfe der dreidimensionalen Kristallstruktur des Enzyms im Komplex
mit Cisplatin-gebundener DNA konnten die Forscher zeigen, wie die
Polymerase das Erbmolekül auch über das Hindernis hinweg kopieren kann.
Diese Ergebnisse sollen nun helfen, wirksamere Chemotherapeutika zu
entwickeln.
Das Erbmolekül DNA ist der Informationsträger der Zelle und muss vor
jeder Zellteilung durch DNA-Polymerasen vollständig und genau
verdoppelt werden. Die Enzyme können mit einem DNA-Strang als Vorlage
und Desoxynukleotidtriphosphaten als Bausteinen sehr schnell und
präzise einen identischen DNA-Strang aufbauen. Die zwei DNA-Kopien
werden dann auf die beiden Zellen verteilt. "In einer menschlichen
Zelle müssen pro Zellteilung etwa zwölf Milliarden Bausteine
verarbeitet werden", berichtet Hopfner. "Treffen die hoch
spezialisierten DNA-Polymerasen bei der Replikation aber auf Schäden
im Erbmolekül, bleiben sie oft stecken. Ohne Reparatur müssten die
Zellen sterben." Eben diese "Störanfälligkeit" der Enzyme wird aber
bei der Chemotherapie von Krebserkrankungen genutzt. Die chemische
Verbindung Cisplatin etwa quervernetzt zwei benachbarte Bausteine der
DNA - als wirksame Blockade der Replikation und anderer Prozesse am
Erbmolekül. Die Zelle ist dem zwar nicht wehrlos ausgeliefert. In der
Chemotherapie übersteigt aber die Zahl der Schäden durch Cisplatin die
Kapazität der Zelle zur Reparatur. Die Folge: Schnell teilende Zellen,
vor allem also Tumorzellen, sterben ab.
Tumorzellen können aber mit Hilfe mehrere Mechanismen resistent gegen
Cisplatin werden. Einer davon beruht auf der besonderen Fähigkeit der
DNA-Polymerase "Eta", Quervernetzungen zu überlesen. Dieses Enzym ist
eine von 15 bekannten DNA-Polymerasen des Menschen, die nach den
Buchstaben des griechischen Alphabets benannt wurden. Polymerase
"Delta" und "Epsilon" etwa verdoppeln als "replikative" Enzyme mit
hoher Geschwindingkeit und Genauigkeit die Chromosomen. Sie werden
durch Quervernetzungen blockiert, die unter anderem durch die
UV-Strahlung des Sonnenlichts entstehen kann. Dann bilden zwei
benachbarte DNA-Bausteine, meist Thymidine, einen Komplex. Bei
Sonnenlicht können die UV-Schäden nicht schnell genug repariert
werden, so dass DNA fehlerhaft kopiert oder ihre Synthese blockiert
wird. Dann aber sterben Zellen - das ist die Alterung - oder es
entstehen Mutationen, also Krebs. Überliest aber die Polymerase "Eta"
die Quervernetzungen, kann sich auch eine Zelle mit UV-Schäden
"normal" teilen und die Mutationen später reparieren. Patienten mit
einem Defekt in dem POLH-Gen, das für die Polymerase "Eta" kodiert,
erkranken an einer Variante der Erbkrankheit Xeroderma Pigmentosum.
Sie leiden an einer extremen UV-Überempfindlichkeit und Hautkrebs.
Die besondere Fähigkeit der DNA-Polymerase "Eta" machen sich aber auch
manche Tumoren bei einer Cisplatin-Therapie zunutze. In der
vorliegenen Studie konnte nun geklärt werden, wie das Enzym die
Blockaden überlesen kann. "Dazu haben wir mit Hilfe der
Röntgenstrukturanalyse den dreidimensionalen Aufbau der Polymerase im
Komplex mit Cisplatin-quervernetzter DNA bestimmt", berichtet
Erstautorin Katja Lammens. Ein methodischer Durchbruch gelang dem
zweiten Erstautor, Aaron Alt, mit der Herstellung von chemisch
definierten DNA-Schäden und der Kristallisation des Enzyms im Komplex
mit dieser DNA. In verschiedenen Arbeitsschritten konnten die Forscher
dann zeigen, dass die Polymerase "Eta" ein sehr viel offeneres aktives
Zentrum besitzt als die anderen DNA-Polymerasen, was auch DNA mit
Quervernetzungen als Vorlage nutzen kann. "Der erste der beiden
quervernetzten Bausteine wird mit hoher Genauigkeit abgelesen, weil er
sehr gut in das aktive Zentrum passt", so Carell. "Der zweite dagegen
steht im rechten Winkel ab und wird deswegen mit geringerer Effizienz
und Genauigkeit kopiert. Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass beim
Überlesen von Cisplatinschäden Fehler gemacht werden können, die
eventuell zur hohen Mutationsrate und Weiterentwicklung des Krebses
beitragen."
Daneben ließ sich noch ein weiterer, bisher unbekannter Vorgang
beobachten, der spezifisch für das Überlesen von Quervernetzungen sein
könnte: Die DNA rotiert im aktiven Zentrum des Enzyms. Dieses und auch
die anderen Resultate sind aus medizinischer Sicht besonders
interessant, weil sich möglicherweise ein leicht abgewandeltes
Cisplatin entwickeln lässt, das nicht mehr überlesen werden kann - und
keine Resistenzen mehr hervorruft. "Wir werden jetzt auf atomarer
Ebene untersuchen, wie die Polymerase "Eta" durch UV-Strahlung
verursachte DNA-Quervernetzungen überliest", sagt Hopfner. "Diese
Schäden unterscheiden sich doch deutlich von den
Cisplatin-Quervernetzungen. Die UV-Schäden werden von der Polymerase
sogar mit höherer Genauigkeit kopiert als ungeschädigte DNA." Die
Kooperation der Gruppen Carell und Hopfner wurde im Rahmen des
Sonderforschungsbereichs (SFB) 646 "Netzwerke in Expression und Erhalt
des Genoms" am Genzentrum der LMU sowie im Exzellenzcluster "Center
for Integrated Protein Science Munich (CIPSM)" durchgeführt. Thomas
Carell ist Sprecher, Karl-Peter Hopfner ist Mitglied des
Exzellenzcluster "Center for Integrated Protein Science Munich (CIPSM)".
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