Klingt uncool, ist es auch. Wie DNA-Schäden entstehen, wie unsere Zellen darauf reagieren und warum Toxikologen darum so ein Aufsehen machen.
CC0, pixabay
Intro
Vielleicht ist es euch aufgefallen: Mein letzter full post ist eine Weile her. Der Grund ist, dass wir im Moment mitten in einer sehr arbeitsintensiven und auch nervenaufreibenden Studie stecken, die sich stark an Murphy’s law orientiert und mir kaum Zeit und Energie zum Schreiben lässt. Ich bin dabei für ein Experiment zuständig, das für mehrere Wochen täglich wiederholt werden muss, und zwar auch am Wochenende, was besonders lustig ist: den „Comet Assay.“
Da kam mir gestern die spontane und überaus glorreiche Idee, einfach einen Post über diesen Versuch zu schreiben, da er definitiv zu einer der cooleren Methoden gehört, mit denen ich arbeite. So weit, so gut... Nur habe ich dann schnell bemerkt, dass es wohl kein Nachteil wäre, wie so oft ein paar basics vorab zu erklären, um das Thema spannend behandeln zu können.
Und darum geht es heute in einer Weiteren Folge der inoffiziellen Serie "Grundlagen der Toxikologie" um den Begriff der Genotoxizität, oder wie der coole Toxikologe knackig-frisch sagt: Genotox. Ich würd ja gern jedes Mal das volle Wort sagen… aber dafür hab ich wirklich keine Zeit! Ach verdammt, falsches Format… Ja ja, ok, das wird ein full post.
Die DNA
Die meisten von euch werden eine grobe Vorstellung davon haben, was die Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist.
Crash Kurs, um wirklich alle auf einen Nenner zu bringen: Sie ist die Festplatte des Lebens, ein Makromolekül bestehend aus einer Phosphatkette (das „Rückgrat“), an die in regelmäßigen Abständen 4 verschiedene Basen (Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin) über ein Desoxyribose-Molekül gebunden sind. So eine Kette aus "Nukleotiden", also aus Phophat, Zucker und Basen nennt man „Strang“. Ein DNA-Strang bleibt nicht allein, sondern bindet sich an einen zweiten Strang, wobei sich jeweils ein A mit einem T und ein C mit einem G „paart“, was zur Folge hat, dass der zweite Strang genau komplementär zum Ersten ist. So entstehen Doppelstränge, die dann die allseits bekannte Helix-Struktur ausbilden:
Doppelstrang-Helix, schematisch, farbig, einfach. CC0, pixabay
Die Abfolge dieser Basenpaare ist der biologische Code, quasi ein Programm, das unseren Zellen sagt, was sie wann zu tun haben (bzw. genauer gesagt: welches Protein sie wann in welcher Menge zu produzieren haben). Das funktioniert, indem die DNA, die innerhalb der Zelle dicht zusammengepackt als Chromosom im Zellkern (Nukleus) vorliegt, zuerst in ein verwandtes Molekül, die RNA, übersetzt („transkribiert“) wird. Diese wird aus dem Zellkern ins Zytosol transportiert und dient als „Bauplan“ für die Proteine, die dort produziert („exprimiert“) werden.
Ein DNA-Stück, das für ein bestimmtes Protein codiert, nennt man ein Gen.
Genotox
Wie der Name den Schlauis unter euch sicher schon verraten hat, ist eine Substanz dann genotoxisch, wenn sie „giftig für Gene“ ist, also in der Lage ist, die DNA zu schädigen. Das kann auf verschiedene Arten passieren:
Strangbruch
Nomen est Omen. Wenn ein DNA-Molekül abbricht bzw. gespalten wird, spricht man von einem Strangbruch. Wobei man unterscheidet, ob davon nur einer („single strand break“ - SSB) oder beide Stränge (“double strand break – DSB“) betroffen sind.
Passieren kann das auf unterschiedliche Arten: z.B. lagern sich manche Substanzen in die Doppelhelix ein und behindern so Enzyme bei der Arbeit, was dazu führen kann, dass die DNA an einer Stelle abbricht. Andere interagieren direkt mit Enzymen, die die DNA entwirren (z.B. Topoisomerasen) und führen so dazu, dass absichtlich erzeugte Lücken in der DNA nicht mehr geschlossen werden oder die Torsionsspannung zu groß wird. Aber die härteste Möglichkeit ist sicher, wenn direkt das Phosphat-Rückgrat angegriffen und gespalten wird, so wie es z.B. durch hochfrequente elektromagnetische Strahlen (UV-Licht, gamma-Strahlen) geschieht. Wie auch immer es passiert, das Resultat von Strangbrüchen ist eine „zerstückelte“ DNA.
Basenoxidation
Auch DNA-Basen können Ziel eines chemischen Angriffs sein. Oxidierende Substanzen können die Basen an verschiedenen Stellen so modifizieren, dass sie nicht mehr korrekt gelesen werden können, was zu Fehlern bei der Proteinsynthese, aber auch beim Kopieren der DNA führen kann. Das passiert v.a. während des Zustands, der als „oxidativer Stress“ bekannt ist (ich habe darüber schon mal gebloggt), d.h. wenn die zelleigenen Antioxidantien nicht mehr ausreichen, um Radikale und andere reaktive Sauerstoffspezies unter Kontrolle zu halten.
Substanzen, die bei ausreichend hoher Dosierung (!) oxidativen Stress bewirken können, gibt es wie Sand am Meer und es fällt mir schwer, da jetzt einzelne Beispiele heraus zu picken… Alkohol, rotes Fleisch, verschiedene Schimmelpilzgifte,… just name it.
Adduktbildung
Eine besonders schwerwiegende Schädigung der DNA ist der oxidativen Schädigung sehr ähnlich, mit einem entscheidenden Unterschied: Bei der Basenoxidation werden die Basen minimal verändert, bei der Adduktbildung hängen sich relative fette Moleküle an die Basen dran. Das bewirkt 2 Probleme: Erstens ist eine andere Art der DNA-Reperatur erforderlich, die wesentlich schlechter funktioniert (mehr dazu weiter unten), und zweitens blockieren solche „bulky adducts“ sämtliche Enzyme, die die DNA lesen bzw. kopieren wollen.
Beispiele für Addukt-Bilder sind das Benzpyren, das beim Verkohlen von Fleisch über der offenen Flamme entsteht, oder das Schimmelpilzgift Aflatoxin B1 (ich berichtete). Und natürlich das:
Auch Teer und Rußpartikel enthalten Adduktbildner. CC0, Pixabay
Quervernetzungen
Eine weitere Möglichkeit ist das Bilden von Quervernetzungen zwischen den DNA-Strängen, wie es z.B. das Chemotherapeutikum Cisplatin macht.
Folgen von DNA-Schäden
Stellt euch vor, jemand zerkratzt die Festplatte eures PCs. Er wird aufhören, fehlerfrei zu funktionieren. Genauso geht es der Zelle, wenn die DNA beschädigt wird. Proteine werden nicht mehr korrekt produziert und können die ihnen zugedachten Rollen nicht mehr ausüben. Die DNA wird falsch kopiert und an neu entstehende Zellen weitergegeben – es entstehen sogenannte Mutationen.
Das Problem an Mutationen ist aber nicht, dass da eine Armada an X-Men entstehen würde – das passiert nur im modernen Märchen. Vielmehr erhöhen Mutationen die Wahrscheinlichkeit, dass Zellen zu Krebszellen mutieren, und zwar dann, wenn von den Mutationen Gene betroffen sind, die für Proteine codiere deren Aufgabe es ist, Zellwachstum, Zelltod und Teilung zu kontrollieren (sogenannte „Onkogene“). Bekannte Beispiele für solche Proteine sind p21, das am Anhalten des Zellzyklus nach erkannten DNA-Schäden beteiligt ist oder natürlich der "Wächter des Genoms", das p53, das "die Entscheidung trifft", ob Schäden repariert werden sollen oder der kontrollierte Zelltod vorzuziehen ist.
Genotoxische Substanzen sind daher meist als krebserregend eingestuft und tragen im Handel das entsprechende Warnzeichen:
Das heißt für uns Laborratten: Labormantel an, Handschuhe an, vorsichtig arbeiten, im Sondermüll entsorgen. Bzw. würde es heißen, wenn die Welt voll mit verantwortungsbewussten Menschen wäre... Bild ist public domain.
DNA Reparatur und Apoptose
Nun sind wir Menschen aber pausenlos Umwelteinflüssen ausgesetzt, die unsere DNA schädigen. Niemand lebt ohne jemals die Sonne zu sehen, ohne mal Rauch einzuatmen, ohne Sport zu treiben oder ohne mal was zu essen. Tatsächlich können wir in Versuchen auch in gesunden Menschen eine gewisse Grundschädigung der DNA nachweisen. So ca. 0.2-0.5% unserer DNA in Blutzellen (die primär alles abkriegen, was so an Einflüssen auf uns einprasselt) liegt jederzeit geschädigt vor. Nicht so wenig also.
Würden Zellen aber aufgrund solcher Schäden gleich die Segel streichen und mutieren, wäre höher entwickeltes Leben unmöglich. Dass es trotzdem existiert, liegt an der zellulären Fähigkeit, beschädigte DNA wieder zu reparieren. Zellen höherer Lebewesen produzieren dazu verschiedene Proteine, deren Aufgabe es ist, Schäden an der DNA zu erkennen. Werden Schäden erkannt, wird eine Signalkaskade in Gang gesetzt, die den Zellzyklus (also den sich wiederholenden Prozess der Zellteilung) anhaltet, um wieder anderen Enzymen die Zeit zu geben, die DNA reparieren zu können, bevor sie dupliziert wird. Erst bei einer erfolgreichen Duplikation beschädigter DNA würde man von einer Mutation sprechen, da eine neue Zelle entstehen würde, deren genetischer Code von der Mutterzelle abweicht (was dann auch nicht mehr erkannt und repariert werden kann).
Je nach Art der Schädigung greifen unterschiedliche Reparaturmechanismen, die unterschiedlich schnell und unterschiedlich genau ablaufen: - Sind einzelne Basen oxidativ geschädigt, kommt die Basenexzisionsreparatur (BER) zum Zug, bei der beschädigte Base herausgeschnitten und durch eine intakte Base ersetzt wird. Dieser Prozess geht relativ einfach, schnell und nahezu fehlerlos. - Liegen große Addukte an der Base vor, kann die BER-Maschine nicht andocken, und es ist notwendig, ein großes Stück (ca. 20-30 Nukleotide) aus der DNA herauszuschneiden und zu ersetzen – die sogenannte Nukleotidexzisionsreparatur (NER), die wesentlich langsamer und fehlerhafter funktioniert als die BER. - Liegen Einzelstrangbrüche vor, wird die Lücke im Strang geschlossen, wobei der Komplementärstrang die Information liefert, welche Basen wo einzubauen sind. - Ein besonderes Problem stellen Doppelstrangbrüche dar, wobei man hier noch unterscheiden kann, ob die Information über den ursprünglichen Code der DNA noch vorhanden ist („homologe Reperatur“) oder nicht (non-homologeous end joining, NHEJ). @suesa hatte diese Reparaturvorgänge mal in einem Post beschrieben, und da man das Rad ja nicht ständig neu erfinden muss, spare ich mir die Details… Nur so viel: V.a. das NHEJ funktioniert nur eingeschränkt und führt mit ziemlicher Wahrscheinlichkeit zum Auftreten von Mutationen.
Man kann also sagen, dass unsere Zellen für das eigene Überleben eine gewisse Mutationsrate tolerieren, was für das Funktionieren des Organismus unerlässlich ist, aber natürlich ein gewisses Krebsrisiko bedingt.
Ist die DNA-Reperatur erfolgreich, wird der Zellzyklus wieder freigegeben und alles läuft weiter wie bisher. Tritt nach einer gewissen Zeit aber keine Besserung ein, begeht die Zelle Suizid, um den Organismus nicht zu gefährden, ein Vorgang, der als Apoptose bekannt ist.
Zusammengefasst:
DNA-Schäden durch Umwelteinflüsse (Strahlung, Chemikalien, Nahrung,…) werden von Zellen erkannt und repariert. Ist die Reparatur nicht möglich, gehen die Zellen in die Apoptose. Sowohl das Erkennen also auch die Reparatur der Schäden ist (je nach deren Art) aber nicht fehlerfrei möglich, was zu Mutationen führen kann, die in Summe das Krebsrisiko erhöhen.
Aber warum testen?
Für uns Toxikologen sind genotoxische Substanzen natürlich interessant und alarmierend. Um diese aber gesetzlich zu regulieren und damit die öffentliche Gesundheit zu verbessern, muss man die Wirkung zuerst experimentell nachweisen. Aber auch aus der anderen Richtung gibt es Interesse: Es gibt den sogenannten "health claim" der EU, der Unternehmen berechtigt, wissenschaftlich nachweisbare positive gesundheitliche Aspekte ihrer Produkte entsprechend zu vermarkten. Ein Effekt, auf den viele hier abzielen, ist der Schutz vor DNA-Schäden. Und auch das muss man erstmal nachweisen können.
Dazu haben wir ein Repertoire an Methoden, sowohl in der Zellkultur als auch in vivo. Wir können Mutationsraten in Bakterien messen, die Apoptose-Induktion anhand der Aktivität bestimmter Proteine bestimmen, können das Anspringen von Genen zeigen, die auf DNA-Schäden reagieren… Oder wir messen direkt DNA-Strangbrüche – zum Beispiel mit dem Comet Assay.
Aber um den geht es dann im nächsten Post.
Ich hoffe der kleine Ausflug in die Welt der DNA hat euch gefallen. Die Informationen habe ich größtenteils aus meinem Kopf extrahiert, da sie mein Fachgebiet als Wissenschaftler betreffen. Entschuldigt bitte, dass ich jetzt nicht anfange, das Internet zu durchwühlen, um 10 papers angeben zu können.^^ Man kann Einiges aber sicher auch auf Wiki nachlesen: Genotoxizität DNA-Reparatur