DNA-Vernetzung

Die DNA-Vernetzung bezeichnet die Vernetzung von DNA mit anderen Molekülen. Die vernetzte DNA gehört zu den DNA-Addukten, einer Form der DNA-Schäden.

Eigenschaften

Eine DNA-Vernetzung kann unter anderem durch Vernetzungsmittel oder ionisierende Strahlung ausgelöst werden. Manche Vernetzungsmittel sind gleichzeitig auch Fixierungsmittel oder Alkylanzien. Die Vernetzung kann innerhalb eines DNA-Strangs (intramolekular) oder intermolekular zwischen zwei DNA-Molekülen (z. B. bei einer DNA-Doppelhelix) oder zwischen DNA und einem anderen Molekül erfolgen, z. B. mit einem DNA-bindenden Protein oder anderen Molekülen. Die DNA-Replikation wird durch vernetzte Nukleinbasen gehemmt, die DNA-Reparatur dagegen ausgelöst.[1] Durch eine gelegentlich fehlerhafte Reparatur an vernetzter DNA können Mutationen entstehen, die in bestimmten Kombinationen zu Krebs führen können. Die Reparatur erfolgt vor allem durch Nukleotidexzisionsreparatur (NER), durch Transläsionssynthese (TLS) und homologe Rekombination (HR).[2] Rad51-Proteine sind an der Reparatur vernetzter DNA beteiligt.[3] Patienten mit einer Fanconi-Anämie sind besonders empfindlich gegenüber einer DNA-Vernetzung zwischen zwei DNA-Strängen.[4]

Exogene Vernetzung

Eine DNA-Vernetzung wird in der Medizin zur Chemotherapie verwendet, da schnell teilende Zellen wie Tumorzellen tendenziell stärker unter DNA-Schäden leiden als ruhende Zellen. Manche Alkylanzien wie 1,3-Bis(2-chlorethyl)-1-nitrosoharnstoff (BCNU, Carmustin) und Loste werden verwendet, da sie intermolekulare Vernetzungen an der N7-Position von Guaninen erzeugen.[5]

Cisplatin (cis-Diammindichlorplatin(II)) und seine Derivate wie Carboplatin und Oxaliplatin bilden DNA-Addukte, intramolekulare und intermolekulare Vernetzungen.[6][7][8]

DNA-Schäden können auch durch ionisierende Strahlung entstehen, z. B. ultraviolettes Licht (wie Thymin-Dimere nach einer 2+2-Cycloaddition),[9] Röntgenstrahlung oder die von Radionukliden emittierte Strahlung.

In der Biochemie wird die DNA-Vernetzung unter anderem zur Mutagenese, zur Fixierung und nach einem Southern Blot zur Fixierung auf einer Nitrozellulose- oder Nylon-Membran verwendet. Eine Vernetzung mit Formaldehyd kann durch Erhitzen auf 70 °C rückgängig gemacht werden,[10] weshalb die DNA-Vernetzung mit Formaldehyd zur Bestimmung von Protein-DNA-Interaktionen eingesetzt wird.[11]

Endogene Vernetzung

Salpetrige Säure wird aus Nitriten in Nahrungsmitteln aufgenommen. Salpetrige Säure vernetzt DNA an der N2-Position von Guaninen in CG-Sequenzen. In Folge der Verstoffwechselung von Nitriten entstehen verschiedene Nitrosoverbindungen wie Nitrosamine.

Reaktive Verbindungen wie Dialdehyde (z. B. Malondialdehyd) können nach einer Lipidperoxidation entstehen, wodurch in Folge vernetzende Ethen-Addukte gebildet werden.[12]

Aldehyde wie Acrolein und Crotonaldehyd können Addukte mit Guaninen bilden, die wiederum Schiffsche Basen mit Proteinen bilden können.

Psoralene kommen in manchen Pflanzen vor und können mit DNA interkalieren. Bei einer Bestrahlung mit UV-A bilden sie Addukte mit Pyrimidinen.[13] Die Vernetzung mit Psoralenen betrifft vor allem TA-Sequenzen. Psoralenaddukte erzeugen einen Arrest des Zellzyklus und werden in der Therapie von Psoriasis und Vitiligo eingesetzt.

Weblinks

  • PDB 1AIO – Interactive structure for cisplatin and DNA adduct formation
  • PDB 204D – Interactive structure for psoralen and crosslinked DNA

Einzelnachweise

  1. ↑ A. J. Deans, S. C. West: DNA interstrand crosslink repair and cancer. In: Nature Reviews Cancer. Band 11, Nummer 7, Juli 2011, ISSN 1474-1768, S. 467–480, doi:10.1038/nrc3088, PMID 21701511, PMC 3560328 (freier Volltext).
  2. ↑ P. R. Andreassen, K. Ren: Fanconi anemia proteins, DNA interstrand crosslink repair pathways, and cancer therapy. In: Current cancer drug targets. Band 9, Nummer 1, Februar 2009, ISSN 1873-5576, S. 101–117. PMID 19200054.
  3. ↑ A. M. Gruver, K. A. Miller, C. Rajesh et al.: The ATPase motif in RAD51D is required for resistance to DNA interstrand crosslinking agents and interaction with RAD51C. In: Mutagenesis. 20, Nr. 6, November 2005, S. 433–40. doi:10.1093/mutage/gei059. PMID 16236763.
  4. ↑ J. Zhang, J. C. Walter: Mechanism and regulation of incisions during DNA interstrand cross-link repair. In: DNA repair. April 2014, ISSN 1568-7856, doi:10.1016/j.dnarep.2014.03.018, PMID 24768452. (elektronische Veröffentlichung vor dem Druck)
  5. ↑ F. Ali-Osman, A. Rairkar, P. Young: Formation and repair of 1,3-bis-(2-chloroethyl)-1-nitrosourea and cisplatin induced total genomic DNA interstrand crosslinks in human glioma cells. In: Cancer Biochem. Biophys. 14, Nr. 4, Januar 1995, S. 231–41. PMID 7767897.
  6. ↑ C. A. Rabik, M. E. Dolan: Molecular mechanisms of resistance and toxicity associated with platinating agents. In: Cancer treatment reviews. Band 33, Nummer 1, Februar 2007, ISSN 0305-7372, S. 9–23, doi:10.1016/j.ctrv.2006.09.006, PMID 17084534, PMC 1855222 (freier Volltext).
  7. ↑ N. Poklar, D. S. Pilch, S. J. Lippard, E. A. Redding, S. U. Dunham, K. J. Breslauer: Influence of cisplatin intrastrand crosslinking on the conformation, thermal stability, and energetics of a 20-mer DNA duplex. In: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 93, Nr. 15, Juli 1996, S. 7606–11. doi:10.1073/pnas.93.15.7606. PMID 8755522. PMC 38793 (freier Volltext).
  8. ↑ G. N. Rudd, J. A. Hartley, R. L. Souhami: Persistence of cisplatin-induced DNA interstrand crosslinking in peripheral blood mononuclear cells from elderly and young individuals. In: Cancer Chemother. Pharmacol. 35, Nr. 4, 1995, S. 323–6. doi:10.1007/BF00689452. PMID 7828275.
  9. ↑ J. T. Reardon, A. Sancar: Thermodynamic cooperativity and kinetic proofreading in DNA damage recognition and repair. In: Cell cycle (Georgetown, Tex.). Band 3, Nummer 2, Februar 2004, ISSN 1538-4101, S. 141–144, PMID 14712076.
  10. ↑ S. Niranjanakumari, E. Lasda, R. Brazas, M. A. Garcia-Blanco: Reversible cross-linking combined with immunoprecipitation to study RNA-protein interactions in vivo. In: Methods (San Diego, Calif.). Band 26, Nummer 2, Februar 2002, S. 182–190, ISSN 1046-2023. doi:10.1016/S1046-2023(02)00021-X. PMID 12054895.
  11. ↑ J. Kennedy-Darling, L. M. Smith: Measuring the formaldehyde protein:DNA crosslink reversal rate. In: Analytical chemistry. Mai 2014, ISSN 1520-6882, doi:10.1021/ac501354y, PMID 24848408. (elektronische Veröffentlichung vor dem Druck)
  12. ↑ Christopher K. Mathews, Kensal E. Van Holde, Dean R. Appling: Biochemistry. Auflage: Revised. Prentice Hall, Toronto 2012, ISBN 978-0-13-800464-4.
  13. ↑ Q. Wu, L. A. Christensen, R. J. Legerski, K. M. Vasquez: Mismatch repair participates in error-free processing of DNA interstrand crosslinks in human cells. In: EMBO reports. Band 6, Nummer 6, Juni 2005, ISSN 1469-221X, S. 551–557, doi:10.1038/sj.embor.7400418, PMID 15891767, PMC 1369090 (freier Volltext).