DdrC-Protein könnte Grundlage für einen Krebsimpfstoff sein

Forschende haben ein Protein identifiziert, das DNA-Schäden unmittelbar stoppen kann. Noch vielversprechender: Einer neuen Studie zufolge lässt es sich theoretisch in nahezu jeden Organismus einsetzen, weshalb es als möglicher Baustein für einen Krebsimpfstoff gilt.

Das DNA-Schadensantwortprotein C (DdrC) stammt aus dem ausgesprochen widerstandsfähigen Bakterium Deinococcus radiodurans. Offenbar erkennt DdrC DNA-Schäden besonders zuverlässig, begrenzt sie und informiert die Zelle darüber, dass der Reparaturvorgang beginnen muss.

Seine möglicherweise wichtigste Eigenschaft ist jedoch seine Eigenständigkeit: DdrC kann seine Aufgabe offenbar erfüllen, ohne auf die Unterstützung weiterer Proteine angewiesen zu sein.

DdrC verbessert die DNA-Reparatur in E. coli

Wie ein Team der Western University in Kanada feststellte, lässt sich das ddrC-Gen vergleichsweise unkompliziert auf fast jeden anderen Organismus übertragen, um dessen DNA-Reparatursysteme zu stärken. Das zeigten die Forschenden, indem sie es in das gewöhnliche Bakterium E. coli einbrachten.

„Zu unserer großen Überraschung wurde das Bakterium dadurch tatsächlich mehr als 40-mal widerstandsfähiger gegen Schäden durch UV-Strahlung“, sagt der Biochemiker Robert Szabla, Erstautor der neuen Studie.

„Dies scheint ein seltenes Beispiel dafür zu sein, dass ein einzelnes Protein wirklich wie eine eigenständige Maschine funktioniert.“

Unreparierte DNA-Schäden können unterschiedliche Krankheiten verursachen. UV-Licht etwa kann die DNA von Hautzellen schädigen und damit das Risiko für Hautkrebs erhöhen. Schäden verhindern oder sogar rückgängig machen zu können, könnte daher Leben retten.

„Die Fähigkeit, DNA gezielt neu anzuordnen, zu bearbeiten und zu manipulieren, ist der heilige Gral der Biotechnologie“, erklärt Szabla.

„Was wäre, wenn ein Kontrollsystem wie DdrC Ihre Zellen überwachen und Schäden genau dann neutralisieren würde, wenn sie entstehen? Das könnte die Grundlage für einen möglichen Krebsimpfstoff bilden.“

Warum Deinococcus radiodurans so extrem widerstandsfähig ist

D. radiodurans ist ein naheliegender Kandidat für die Suche nach einem solchen Werkzeug. Das Bakterium übersteht Strahlendosen, die tausendfach über der Menge liegen, die ausreicht, um eine menschliche Zelle zu töten.

Es hat nachweislich lange Zeiträume außerhalb der Internationalen Raumstation überstanden und kann sogar unter Bedingungen leben, die mit denen auf der Marsoberfläche vergleichbar sind. DdrC spielt bei dieser außergewöhnlichen Belastbarkeit offenbar eine zentrale Rolle.

„Bei einer menschlichen Zelle kann sie sich nicht mehr reparieren und stirbt, wenn es im gesamten Genom mit einer Milliarde Basenpaaren mehr als zwei Brüche gibt“, sagt Szabla.

„Bei DdrC hingegen hilft dieses einzigartige Protein der Zelle dabei, Hunderte gebrochene DNA-Fragmente wieder zu einem zusammenhängenden Genom zu reparieren.“

So erkennt und sichert DdrC DNA-Brüche

Um die dreidimensionale Struktur von DdrC zu untersuchen und seine Funktionsweise aufzuklären, nutzte das Forschungsteam den leistungsstarken Röntgenstrahl der Canadian Light Source.

Dabei zeigte sich, dass das Protein die DNA entlangwandert und nach Schäden in einem oder beiden Strängen sucht. Stößt es auf einen Einzelstrang- oder Doppelstrangbruch, bindet es daran und sucht anschließend nach einem weiteren Bruch desselben Typs.

Findet DdrC zwei Einzelstrangbrüche, bindet es beide und fixiert sie, während es den betreffenden DNA-Abschnitt verdichtet. Bei Paaren von Doppelstrangbrüchen verfährt es ähnlich: Es umschließt die beiden losen Enden und formt daraus einen Kreis – ähnlich wie beim Binden einer Schlaufe in einen Schnürsenkel.

Diese Maßnahmen verhindern nicht nur, dass sich der Schaden verschlimmert. Sie senden zugleich ein Signal an die DNA-Reparaturmechanismen der Zelle, damit diese die Brüche schließen.

Eine verbesserte DNA-Reparatur hätte zahlreiche Vorteile. Die Anpassung dieses Mechanismus könnte auch die Gentechnik voranbringen und bei der Entwicklung von Krebsimpfstoffen sowie klimaresistenten Nutzpflanzen helfen. Zudem könnten in diesem Bakterium noch weitere bislang unerschlossene Werkzeuge verborgen sein.

„DdrC ist nur eines von Hunderten potenziell nützlichen Proteinen in diesem Bakterium“, sagt Szabla.

„Als Nächstes müssen wir genauer untersuchen, was diese Zelle sonst noch einsetzt, um ihr eigenes Genom zu reparieren – denn wir werden mit Sicherheit viele weitere Werkzeuge finden, bei denen wir erst durch die Untersuchung verstehen, wie sie funktionieren oder wofür sie nützlich sein könnten.“

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nucleic Acids Research veröffentlicht.