Schlüssel-DNA-Enzym kann mehr Mutationen tolerieren als erwartet

Schlüssel-DNA-Enzym kann mehr Mutationen tolerieren als erwartet
Schlüssel-DNA-Enzym kann mehr Mutationen tolerieren als erwartet
Anonim

Viele von uns haben in der Schule Filme gesehen und stellen sich die DNA-Replikation – die Vervielfältigung der Zelle – als eine gleitende Doppelhelix vor, die auseinanderbricht und reibungslos neue Zellen bildet, während im Hintergrund symphonische Musik anschwillt. Aber die neuesten wissenschaftlichen Studien zeigen, dass die Zellreplikation tatsächlich ganz anders und viel chaotischer ist. Es kann eine weit verbreitete Substitution verschiedener Elemente der Zelle mit allen möglichen Auswirkungen geben. Diese Effekte können hilfreich sein, wie bei evolutionären Veränderungen, oder schlecht, wie bei Zellen, die Amok laufen und Krebs bilden.

Eine neue Studie von Forschern der University of Washington zeigt, dass eine DNA-Polymerase – ein Enzym – das häufig für wissenschaftliche Studien verwendet wird, viele verschiedene Mutationen tolerieren und funktionsfähig bleiben kann.Die Gesamtzahl der entdeckten verschiedenen aktiven mutierten Formen, 8.000, ist offensichtlich die größte Bibliothek aller bisher bekannten Polymerasen – und es könnte die größte Bibliothek aller bekannten Enzyme sein.

"Dies stellt ganze Paradigmen der Evolution dar. Der aktive Bereich dieser Enzyme ist eine der am besten erh altenen Stellen in der Natur - die die Natur jemals geschaffen hat. Was dies besagt, ist, dass die am besten erh altene Stelle in der Natur plastisch ist, im Inneren im Reagenzglas. Man kann alle möglichen Mutationen reinstecken“, sagt Co-Autor Dr. Lawrence Loeb. Leob ist Direktor des Joseph Gottstein Memorial Cancer Research Laboratory an der University of Washington School of Medicine und Professor für Pathologie und Biochemie sowie Direktor des Medical Scientist Training Program der UW.

Der andere Co-Autor ist Premal Patel, der die Studien durchgeführt hat. Er ist Student im Ausbildungsprogramm für Medizinwissenschaftler im M.D./Ph.D. Programm an der University of Washington.

Die Ergebnisse werden in der Ausgabe vom 9. Mai der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

Polymerasen sind Enzyme - eine Art Protein - die DNA replizieren können. DNA bildet die Gene, die uns unsere Eigenschaften verleihen.

Die beteiligte Polymerase wird Taq genannt, die am häufigsten von Labors in Polymerase-Kettenreaktionen (PCR) verwendete, die für die genetische Forschung und andere Zwecke unerlässlich ist. Die PCR nimmt eine kleine Menge DNA und erweitert sie zu einer größeren Menge. Das ist wichtig, weil Wissenschaftler oft mit einer kleinen Menge DNA beginnen und eine größere Menge für Studien benötigen. So wird Taq ins Reagenzglas gegeben, wenn medizinische Patienten genetische Tests erh alten oder wenn ein Forensiker DNA von einem Tatort untersucht. Wissenschaftler verwenden Taq bei ihrer Suche unter anderem nach Behandlungen für Krebs und AIDS. Patel fügte zufällige Sequenzen in Taq ein und stellte fest, dass viele verschiedene Aminosäuren andere ersetzen würden. Dies war anders als die herkömmliche Meinung, die besagte, dass das aktive Zentrum der Polymerase Veränderungen nicht gut tolerieren würde.

"Nach der Selektion stellten wir fest, dass viele verschiedene Aminosäuren verändert werden konnten, ohne die Funktion dramatisch zu beeinträchtigen", sagt Patel. „Wir glauben, dass Enzyme sehr plastisch sind.“

Die Forschung kann veranschaulichen, wie Bakterien in der Lage sind, Antibiotika oder anderen Behandlungsmedikamenten zu widerstehen. Da ihr aktives Zentrum so wandelbar ist, wird es wahrscheinlicher, dass der Organismus eine Resistenzmutation entwickelt.

In der Zwischenzeit verfügt Loebs Labor jetzt über eine Bibliothek von 8.000 Taqs, die Wissenschaftler nun für andere Zwecke untersuchen werden. Einige dieser Variationen könnten in der Biotechnologie Verwendung finden, sagt Patel.

Loebs Labor fügt seit 13 Jahren zufällige Sequenzen in verschiedene Enzyme ein, mit dem Ziel, Gentherapien für Krebs zu entwickeln. Loebs Labor hat damit experimentiert, zufällige Sequenzen in andere Teile des Taq einzufügen – nicht in den Teil, der Gegenstand der jüngsten Veröffentlichung war. Das liegt daran, dass dieser Teil in der Natur am besten erh alten war und auf den ersten Blick nicht anfällig für große Veränderungen zu sein schien.

"Wir sind irgendwie davon ausgegangen, dass der konservativste Ort in der Natur - alle Arten haben ihn - nicht veränderbar wäre, also haben wir ihn vermieden", sagt Loeb.

Mutationen sind ein Schlüssel zu Loebs Arbeit in der Krebsforschung. Vor 25 Jahren stellte Loeb die Theorie auf, dass der Motor hinter der Vernichtung durch Krebs ein Mutator-Phänotyp war, bei dem die Fehlerrate bei der DNA-Replikation zunimmt, wenn ein Tumor wächst. Erst in den letzten Jahren haben Experimente gezeigt, dass Loebs Theorie richtig war. Sein Ziel ist es nun, Wege zu finden, um die Mutationsrate zu verlangsamen. Dies würde Krebs nicht heilen, aber es würde wahrscheinlich die Lebenszeit der meisten Menschen verlängern, die es bekommen. Die Hoffnung wäre also, die meisten Krebstoten durch Verzögerung zu eliminieren.

"Menschen neigen dazu, Mutationen als konstant zu betrachten - als würde man ein bestimmtes Niveau pro Jahr erreichen", sagt Loeb. „Man kann die Mutationsraten manipulieren. Im Falle von Krebs besteht das Ziel darin, die Mutationsrate zu verzögern. Im Falle von Taq besteht das Ziel darin, die Mutationen zu erhöhen – Mutationen in eine Zelle zu bringen, in das Reagenzglas, und dann die Situation ausnutzen."

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