DNA-Reparatur per Sonnenlicht Forscher filmen, wie ein Enzym Schäden im Erbgut korrigiert

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Die DNA ist das wohl kostbarste Molekül von Lebewesen. Schäden am genetischen Code, die beispielsweise durch Sonnenstrahlung entstehen, müssen schnellstmöglich repariert werden. In vielen Organismen ist dafür ein spezielles Enzym verantwortlich, was seinerseits Sonnenlicht nutzt, um beschädigte DNA-Stränge wieder in Form zu bringen. Nun haben Forscher dessen Funktionsweise im Detail entschlüsselt.

Alles Leben unter der Sonne muss mit schädlicher ultravioletter (UV) Strahlung umgehen. UV-Strahlenschäden können in vielen Formen auftreten. Besonders anfällig ist die DNA, das Molekül, das die genetische Information aller lebenden Organismen trägt. UV-Strahlung kann zum Beispiel Vernetzung in Form ungewollter chemischer Bindungen innerhalb der DNA erzeugen. Diese Vernetzung bringt unter Umständen Fehler in den genetischen Code ein. Dies kann zum Zelltod oder – in den schlimmsten Fällen – zu Mutationen und Krebs führen. Solche Schäden sind keine Seltenheit; unter hellem Sonnenlicht können in einer menschlichen Hautzelle 50 bis 100 Vernetzungen pro Sekunde auftreten. Ohne Gegenmaßnahmen wäre dies fatal.

„Um zu überleben, hat das Leben leistungsfähige DNA-Reparaturmechanismen entwickelt. Eine besonders elegante Lösung bietet das Enzym Photolyase“, sagt DESY-Wissenschaftler Thomas J. Lane, der im Center for Free-Electron Laser Science CFEL und im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ der Universität Hamburg forscht. Das Enzym nutzt Sonnenlicht, um die ebenfalls durch Sonnenlicht verursachten Schäden zu reparieren. Es erkennt die Stelle, an der UV-Strahlung die DNA vernetzt, und hält sich an den beschädigten DNA-Stücken fest. Dann kann blaues Sonnenlicht absorbiert und zur chemischen Reparatur genutzt werden. Auf diese Art bringt das Enzym die DNA wieder in ihre ursprüngliche, gesunde Form zurück. Es wurde in Bakterien, Pilzen, Pflanzen und Beuteltieren nachgewiesen, kommt jedoch nicht bei höheren Säugetieren vor, zu denen auch der Mensch zählt. Dort wirken andere Reparaturmechanismen der DNA-Schädigung entgegen.

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Chemische Reaktion Bild für Bild entschlüsseln

Um die Funktionsweise der Photolyase besser zu verstehen, interessierten sich die Forschenden vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY zunächst für die Form des Enzyms unmittelbar nach der Lichtabsorption, aber noch vor der Reparatur der DNA. Außerdem wollten sie die genaue Abfolge der chemischen Reaktionen herausfinden, die notwendig sind, um geschädigte DNA in gesunde DNA zu verwandeln. In einem dritten Schritt wollte das Team herausfinden, wie die Photolyase spezifisch erkennt, welche DNA geschädigt ist.

Durch zeitaufgelöste Kristallographie am Schweizer Freie-Elektronen-Laser SwissFEL in Villigen haben die Wissenschaftler die Struktur des angeregten Photolyase-Farbstoffs identifiziert und so herausgefunden, wie das Enzym die Energie des Sonnenlichts effizient für die chemische DNA-Reparatur verwendet. „Diese Forschung wurde erst durch die jüngste Entwicklung von Freie-Elektronen-Röntgenlasern möglich“, sagt Erstautorin Nina-Eleni Christou von DESY. „Deren intensive Femtosekundenpulse ermöglichen uns die Aufnahme von Röntgenblitzbildern, die alle atomaren Bewegungen einfrieren, sodass wir die Reaktion Schritt für Schritt mit der Geschwindigkeit von Molekülen verfolgen können.“

DNA-Reparaturmechanismus im Detail aufgeklärt

Jahrzehntelang war umstritten, ob die schädliche Vernetzung in Form zweier Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, die am Reparaturprozess beteiligt sind, sofort oder schrittweise gebrochen wird. Die Forschenden stellten fest, dass zunächst eine der zwei Bindungen gebrochen wird, bevor die zweite folgt. Zudem wurde deutlich, dass das Enzym eine Bindungstasche hat, die perfekt an die Form der beschädigten DNA angepasst ist. Die Forschenden zeigten, dass die reparierte DNA nicht in diese Tasche passt, da sie zu groß ist und die falsche Form hat. Dies erklärt, warum die Photolyase vor allem an geschädigte DNA andockt und nicht an reparierte, gesunde DNA.

Das Team ermittelte zehn zeitaufgelöste Photolyase-Strukturen während der DNA-Reparatur. „Zusammengenommen beleuchten unsere Strukturen die Funktion eines leistungsstarken DNA-Reparatursystems, das Sonnenlicht auf elegante Weise nutzt, um durch Sonnenlicht verursachte Schäden zu reparieren“, fasst DESY-Forscher Lane zusammen. Dem Menschen fehlt dieses Enzym leider, sodass andere Reparaturmechanismen nötig sind. Für fast alle anderen Lebewesen spielt die Photolyase jedoch eine wichtige Rolle bei der DNA-Reparatur.

Originalpublikation: Nina-Eleni Christou et al.: Time-resolved crystallography captures light-driven DNA repair, Science, Vol. 382, No. 6674, pp. 1015-1020, 2023; DOI: 10.1126/science.adj4270

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