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Schutzmechanismus für DNA Verweichlicht – Wie Zellkerne auf mechanische Belastung reagieren

| Redakteur: Christian Lüttmann

Widerstand ist zwecklos – das könnte das Motto von Zellen unter mechanischer Belastung sein. Denn wenn diese gedehnt und gestreckt werden, verformen sie nicht nur die Zellkerne, sondern weichen auch das genetische Material selbst auf, um es vor Defekten zu schützen. Diese neuen Erkenntnisse einer aktuellen Studie könnten auch der Krebsforschung helfen.

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Dehnung von Geweben führt zu Faltenbildung der Zellkerne und zur Neuanordnung der DNA. Diese physikalischen Veränderungen führen zu einer Kernerweichung und sind erforderlich, um die DNA vor mechanischer Beschädigung zu schützen.
Dehnung von Geweben führt zu Faltenbildung der Zellkerne und zur Neuanordnung der DNA. Diese physikalischen Veränderungen führen zu einer Kernerweichung und sind erforderlich, um die DNA vor mechanischer Beschädigung zu schützen.
(Bild: Wickström, Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns )

Köln – Der Schutz des genetischen Codes innerhalb unserer DNA ist entscheidend für unsere Gesundheit. Denn Defekte wie Mutationen führen zu einer Vielzahl von Krankheiten, z.B. Entwicklungsstörungen oder Krebs. Dabei macht es durchaus einen Unterschied, in welcher Art von Zellen es zu genetischen Defekten kommt.

Besonders gravierend sind solche Fehler etwa in langlebigen, gewebespezifischen Stammzellen. „Aufgrund ihrer langen Lebensdauer ist es entscheidend, dass das Genom dieser Zellen wirksam vor Mutationen geschützt wird, um Krankheiten wie Krebs vorzubeugen“, sagt Michele Nava vom Max-Planck-Institut für Biologie des Alterns. „Es ist viel über die Rolle von Chemikalien und Bestrahlung bei der Erzeugung von DNA-Schäden bekannt, aber wie mechanische Kräfte die DNA schädigen und welche Mechanismen existieren könnten, um unsere Zellen vor diesen Schäden zu schützen, war bisher nicht bekannt“, führt er aus.

Zellkern und DNA ordnen sich neu an

Um zu untersuchen, wie die DNA in Stammzellen auf mechanische Verformung reagiert, setzten die Forscher Haut- und Muskelstammzellen gezielt einer mechanischen Dehnung aus, wie sie auch im Inneren des Gewebes auftreten würde. Infolge der Dehnung werden sowohl die Zellkerne als auch die DNA neu organisiert.

Als die Forscher die Dehnungsreaktion von Stammzellen genauer untersuchten, stellten sie fest, dass sich das gesamte Gewebe bei längerer mechanischer Dehnung nach der Kraftrichtung ausrichtet. Diese Orientierung verhindert eine Verformung des Zellkerns und seiner DNA und ermöglicht es den Zellen, ihren ursprünglichen Zustand wiederherzustellen. Die Neuorientierung dient somit als langfristiger Schutz vor mechanischer Belastung.

Weichwerden als Schutzmechanismus

Doch nicht nur die neue Anordnung von Zellkern und DNA fiel auf: Wie die Wissenschaftler entdeckten, verändern sie auch deren mechanische Eigenschaften – sie werden weicher. „Wir können die mechanischen Eigenschaften der DNA einfach dadurch verändern, dass wir mechanische Kräfte auf die Stammzellen ausüben“, sagt Jekaterina Miroshnikova, die die Studie mitleitete. „Wenn wir diese Veränderung experimentell verhindern, wird die DNA der Stammzellen geschädigt. Dies deutet darauf hin, dass wir einen wichtigen Schutzmechanismus entdeckt haben.“

Krebszellen zeigen eine gestörte Reaktion auf Dehnung

Die Wissenschaftler stellten auch fest, dass Krebszellen weniger empfindlich auf mechanische Dehnung reagierten als gesunde Stammzellen. Dies ist auf unterschiedliche Konzentration wichtiger Kernproteine zurückzuführen. „Zentrale Merkmale für Krebs sind also, dass sie häufig mutieren und unempfindlich gegenüber äußeren Faktoren sind“, fasst Sara Wickström, die Studienleiterin, zusammen. „Ein wichtiges zukünftiges Ziel des Labors ist es, zu verstehen, wie Defekte in diesem neu entdeckten Signalweg die Krebsbildung fördern könnten und wie Krebsarten die Mechanik ausnutzen könnten, um den Kontrollmechanismen des Gewebes zu entgehen.“

Originalpublikation: Michele M. Nava, Yekaterina A. Miroshnikova, Leah C. Biggs, Daniel B. Whitefield, Franziska Metge, Jorge Boucas, Helena Vihinen, Eija Jokitalo, Xinping Li, Juan Manuel García Arcos, Bernd Hoffmann, Rudolf Merkel, Carien M. Niessen, Kris Noel Dahl, and Sara A. Wickström: Heterochromatin-driven nuclear softening protects the genome against mechanical stress-induced damage, Cell181, 1–18 (2020); DOI: 10.1016/j.cell.2020.03.052

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