20. Juli 2020 /

Neue Veröffentlichung in "Nature Communications"

Partnertausch und Basenklappen – Detaillierte Einblicke in die Dynamik der DNA

Neue Veröffentlichung in "Nature Communications"

DNA Methylierung an CG Sequenzen ist eine chemische Modifikation der DNA, die für die Embryonalentwicklung von Menschen essentiell ist. Die DNA Methyltransferase DNMT1 spielt hierbei eine zentrale Rolle. Das Enzym nutzt einen spektakulären Basenausklappmechanismus dessen Grundlagen nicht gut verstanden sind. Ein internationales Forschungsteam um Prof. Albert Jeltsch vom Institut für Biochemie und Technische Biochemie (IBTB) der Universität Stuttgart konnte nun mit biochemischen und strukturbiologischen Experimenten die dynamischen Vorgänge beim Basenausklappen aufklären.

Im Jahre 1993 wurde erstmals gezeigt das DNA Methyltransferasen im Zuge der von ihnen katalysierten Reaktion die von Watson und Crick 1953 entdeckte DNA Doppelhelixstruktur partiell zerstören, weil die zu methylierende Cytosin-Base aus der DNA Helix ausgeklappt wird. Hierbei wird das mit dem Cytosin ursprünglich eine Basenpaarung bildende Guanin in der DNA Helix zurückgelassen, was zu dynamischen Strukturveränderungen der DNA führt, die bislang allerdings nicht systematisch untersucht wurden.

Das Team um Prof. Albert Jeltsch von der Universität Stuttgart konnte nun mit einem neuartigen Verfahren die DNA-Methylierungsrate der DNMT1 Methyltransferase an Tausenden von DNA-Sequenzen messen welche CG Zielsequenzen enthalten. Dabei zeigte sich, dass die Sequenzumgebung einen wesentlichen Einfluss auf die Enzymaktivität hat. In Kooperation mit einer Gruppe von der University of California konnte konnten Strukturen von DNMT1 mit verschiedenen DNA Sequenzen gelöst werden, die zeigen, dass die Strukturveränderungen der DNA nach dem Basenpaarklappen direkt von der benachbarten DNA Sequenz abhängen, und diese Effekte auch die Umsatzgeschwindigkeit der DNMT1 steuern. Komplexe mit genringen Strukturänderungen zeigten eine hohe Umsatzgeschwindigkeit, während ein Komplex mit einer massiven Strukturänderung eine langsame Umsatzgeschwindigkeit aufwies.

Mit Hilfe von Modellierungsexperimenten und Simulationen in Kooperation mit der Gruppe von Prof. Radde von der Universität Stuttgart konnte der Mechanismus der Reaktion genauer beschrieben werden. Weitergehende Experimente zeigten, dass die DNA Methylierungsmuster in menschlichen Zellen und auch die Wirkung von DNMT Inhibitoren, die in der Krebsbehandlung eingesetzt werden, stark von der Sequenzabhängigkeit der DNMT1 Aktivität beeinflusst werden. „Es ist faszinierend zu sehen, wie dynamische Vorgänge in Biomolekülen auf atomarer Ebene sich in globalen Eigenschaften wie genomweiten DNA Methylierungsmustern in menschlichen Zellen und der Wirkung von Medikamenten wiederspiegeln.“ sagt Jeltsch.

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