Lichtenergie wandert entlang der DNA Wo der Lichtstrahl die DNA schädigt

Wenn UV-Licht auf ein DNA-Molekül trifft, kann das Erbgut durch die aufgenommene Strahlungsenergie geschädigt werden. Dies ist der Grund, warum intensives Sonnenbaden das Hautkrebsrisiko erhöht. Die Schäden im Erbgut müssen aber nicht genau an der Eintrittsstelle des Lichts liegen – sie können bis zu 30 DNA-Bausteine entfernt entstehen. Das hat nun ein Forscherteam des Karlsruher Instituts für Technologie im Modellversuch gezeigt.

Karlsruhe – Ein Sonnenbad mag sich positiv aufs Gemüt auswirken, doch die UV-Strahlung ist gefährlich, kann sie doch Schäden am Erbgut verursachen und somit Hautkrebs hervorbringen. Diese zerstörerischen Effekte sind dabei nicht einmal auf die direkte „Einschlagsstelle“ der Lichtstrahlen begrenzt, wie ein Forscherteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) nun erstmals zeigte.

„Bisher wurde es nicht für möglich gehalten, dass die Lichtenergie in DNA so weit übertragen werden und dort noch Schäden verursachen kann“, sagt Prof. Hans-Achim Wagenknecht vom Institut für Organische Chemie des KIT. Tatsächlich wiesen die Forscher aber mithilfe einer künstlich modellierten DNA-Sequenz nach, dass DNA-Schäden über eine Distanz von 30 DNA-Bausteinen nachzuweisen sind.

Kunst-DNA mit eingebauten Lichtfängern

Die für diese Untersuchung synthetisch hergestellte DNA zeichnete sich durch eine bestimmte Architektur aus. Die Forscher hatten an einigen Stellen eine Art Lichtfänger eingebaut: das Molekül Xanthon.

Um im Experiment festzulegen, wo die UV-Strahlung Schäden verursachen soll, haben die Wissenschaftler in unterschiedlichen, festgelegten Abständen von diesem Lichtfänger sozusagen Sollbruchstellen in Form von Thymin-Paaren eingebaut. Thymin kommt als eine der vier Nukleinbasen natürlich in DNA vor. Liegen in einer DNA-Sequenz zwei solcher Thymine direkt hintereinander, können sie sich durch die Lichtenergie miteinander verknüpfen und dabei Cyclobutanpyrimidindimere (CPD) bilden. Derartige Verknüpfungen von benachbarten Thyminen zu CPD sind der häufigste durch Licht verursachte Schaden an DNA.

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Reichweite der Photoschäden

Durch die definierten Stellen für die CPD-Bildung ist es dem Team gelungen, die Entfernung zu bestimmen, die zwischen der Eintrittsstele des Lichts und der DNA-Schädigung liegt. So zeigten Sie, dass Lichtenergie über 30 DNA-Bausteine wandern kann, ehe es zum Schaden am Erbgut-Molekül kommt. Dies entspricht einer Entfernung von bis zu 10,5 Nanometern.

„Diese erstaunlich lange Reichweite ist fundamental für das Verständnis von DNA-Photoschäden“, sagt Studienleiter Wagenknecht. Denn CPD-Schäden gelten als molekulare Ursache von Hautkrebs. Sie haben zur Folge, dass die Erbinformation nicht mehr oder nicht korrekt abgelesen werden kann.

Lichtfängermoleküle auch im Alltag relevant?

Die Frage, wie weit die Energie überhaupt wandern kann, ist noch offen. In erster Linie ging es dem Team darum, zu klären, wo ein Lichtschaden entsteht – nämlich nicht notwendigerweise dort, wo die Lichtenergie eintrifft. Ein weiterer wichtiger Aspekt liegt darin, dass Xanthone, die im Experiment als Lichtfänger künstlich in die DNA eingebracht wurden, sich in vielen Alltagsstoffen befinden können. Sie können in einem Antibiotikums enthalten sein und bei Einnahme die Lichtempfindlichkeit der Haut erhöhen.

Im nächsten Schritt will die Gruppe den Mechanismus der Energiewanderung im Detail weiter erkunden.

Originalpublikation: Arthur Kuhlmann, Larissa Bihr, Hans-Achim Wagenknecht: How far does energy migrate in DNA and cause damage? Evidence for long-range photodamage to DNA, Angewandte Chemie, 2020, DOI: 10.1002/anie.202009216

* Dr. Joachim Hoffmann, Karlsruher Institut für Technologie, 76131 Karlsruhe

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