Presseinformation der LMU München vom 28.11.2011

Entstehung UV-induzierter DNA-Dewar-Schäden aufgeklärt

Ultraviolette (UV) Anteile im Sonnenlicht können zu Schädigungen der Haut bis hin zum Hautkrebs führen. Grund dafür sind gefährliche DNA-Mutationen, die zur Folge haben, dass die Erbinformation nicht mehr oder nicht mehr korrekt abgelesen werden kann. Eine mögliche Mutation ist der sogenannte Dewar-Schaden, der selbst wieder erbgutverändernde Schäden auslöst – eine Aufklärung der Mechanismen, die zur Dewar-Bildung führen ist also von großem Interesse. LMU-Wissenschaftler konnten nun nachweisen, dass das DNA-Rückgrat dabei eine entscheidende Rolle spielt: Erst ein intaktes Rückgrat macht die Mutation möglich – ist das Rückgrat offen und damit flexibel, kann die Reaktion nicht ablaufen. Damit zeigt sich eine überraschende Doppelrolle des Rückgrats: Einerseits ist es die Grundvoraussetzung für die Funktion der DNA und somit von fundamentaler Bedeutung für alle lebenden Organismen. Andererseits ist es die Ursache für den Dewar-Schaden und trägt dadurch zur UV- induzierten Mutagenese bei. (Angewandte Chemie, 23. November 2011)

UV-induzierte DNA-Schäden entstehen durch molekulare Veränderungen, die zu Strukturänderungen führen und Mutationen oder sogar den Zelltod einleiten können. Zunächst erzeugt die energiereiche UV-Strahlung hauptsächlich zwei Arten von Mutationen: sogenannte CPD-Schäden und (6-4)-Photoschäden. Beide entstehen, indem benachbarte DNA-Bausteine eine Verbindung eingehen. Aus dem (6-4)-Schaden kann bei fortgesetzter Aufnahme von UV-Strahlung eine weitere Strukturänderung erfolgen. Auf diese Weise entsteht ein sogenannter Dewar-Schaden, der bei kontinuierlicher Sonnenbestrahlung ein stabiles Endprodukt darstellt – und hochmutagen ist, also selbst wieder erbgutverändernde Schäden auslöst. „Während die Entstehung der CPD- und (6-4)- Schäden bereits gut untersucht ist, traf dies für die Dewar-Schäden bisher nicht zu“, sagt der LMU-Chemiker Professor Thomas Carell, der auch dem Exzellenzcluster „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM) angehört.

In einem gemeinsamen Projekt im Rahmen des SFB749 konnte Carells Gruppe nun zusammen mit Teams um den LMU-Physiker Professor Wolfgang Zinth (CIPSM) und Regina de Vivie-Riedle vom Department Chemie zeigen, dass das DNA-Rückgrat eine entscheidende Rolle spielt. Das Rückgrat besteht aus sich regelmäßig abwechselnden Zucker- und Phosphat-Molekülen, die den Protein-codierenden DNA-Bausteinen Halt geben. „Zu unserer Überraschung stellte sich heraus, dass der Dewar-Schaden nur dann eintritt, wenn ein intaktes Rückgrat den betroffenen DNA-Bereich stützt“, erklärt Carell, „weder die chemisch identische Substanz mit offenem Rückgrat, noch die freien Basenpaare zeigen die Dewar-Bildung bei Bestrahlung mit Sonnenlicht.“ Die interdisziplinäre Zusammenarbeit der drei Arbeitsgruppen aus den Bereichen Chemie, Physik und Theorie ermöglichte es, die photochemische Dewar-Bildung erstmals auf  atomarer Ebene direkt zu verfolgen. „Dabei zeigten unsere Ergebnisse, dass die Dewar-Bildung bemerkenswert effektiv ist und zu einer der effizientesten lichtinduzierten Reaktionen der DNA gehört“, erläutert der Physiker Zinth.

Einblicke in die mechanistischen Details der photochemischen Dewar-Bildung kamen aus der Theorie. „Um die Photochemie auf hohem Niveau verfolgen zu können, haben wir eine neue Hybridmethode konzipiert, mit der wir die Dynamik in zusammengesetzten Molekülbereichen auf unterschiedlich hohem quantenmechanischem Niveau verfolgen können“, sagt de Vivie-Riedle. Basierend auf ihren Berechnungen konnten die Wissenschaftler eindeutig klären, welche Rolle das DNA-Rückgrat für die Dewar-Bildung spielt: Ein offenes Rückgrat macht die Moleküle flexibel – dieser Zustand erlaubt nach einem (6-4)-Schaden nur den photophysikalischen Rückweg zum Ausgangsprodukt. Ein intaktes Rückgrat dagegen macht das Molekül starr: Die Ringspannung unterdrückt die Flexibilität, nur die Atome der neu zu bildenden Dewar-Bindung bleiben beweglich. Damit ist der Weg zum Dewar-Schaden frei.

Die Arbeiten wurden von der DFG im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 749 „Dynamik und Intermediate molekularer Transformationen“ und des Exzellenzclusters „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM) gefördert. Regina de Vivie-Riedle und Wolfgang Zinth sind auch Mitglied des Exzellenzclusters „Munich Centre of Advanced Photonics“ (MAP). (göd)

Publikation:
„Mechanism of UV-Induced DNA Dewar-Lesion Formation“:
Karin Haiser, Benjamin P. Fingerhut, Korbinian Heil, Andreas Glas, Teja T. Herzog, Bert M. Pilles, Wolfgang J. Schreier, Wolfgang Zinth, Regina de Vivie-Riedle, Thomas Carell;
Angewandte Chemie. Article first published online: 23. Nov. 2011;
DOI: 10.1002/ang.201106231

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Pressemeldung der Universität Erlangen-Nürnberg vom 21.11.2011

Internationales Forscherteam untersucht, warum wir frieren

Zumindest morgens ist es jetzt schon richtig kalt und unser Körper reagiert darauf: Mit tauben Fingern und Zehen, tränenden Augen oder roten und tropfenden Nasen. Diese lokalen Reaktionen werden durch Kältesensoren ausgelöst. Eine internationale Forschergruppe um den Harvard-Professor David Clapham hat jetzt unter Beteiligung von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) einen neuen, bislang noch nicht bekannten Kältesensor in der menschlichen Haut entdeckt. Von diesem Sensor glauben die Forscher, dass er zu den lokalen Anpassungsreaktionen auf Kälte beiträgt. Ihre Erkenntnisse haben sie vor kurzem in dem renommierten Wissenschaftsjournal PNAS veröffentlicht.

„Wenn es kalt wird, registrieren wir zum einen bewusst die Kälte und ziehen uns warm an“, sagt Dr. Katharina Zimmermann vom Institut für Physiologie und Pathophysiologie der FAU, die an der Entdeckung und Charakterisierung des neuen Sensors beteiligt war. „Gleichzeitig laufen im Körper aber auch verschiedene lokale Anpassungsreaktionen ab, die dazu dienen die Körpertemperatur bei ca. 37 Grad Celsius zu halten. Zum Beispiel werden unsere Gefäße verengt.“ Auch der von den Forschern entdeckte Kältesensor könnte eine solche Reaktion auslösen, vermuten die Wissenschaftler.

Die Temperaturempfindlichkeit des Messfühlers namens TRPC5 entdeckten sie bei Versuchen an Zellen in der Kulturschale. Das Molekül reagiert bei Temperaturen zwischen 25 und 37 Grad Celsius hoch empfindlich – also Temperaturen, die unter der normalen Körpertemperatur von 37 Grad liegen. „Wir haben mehrere Versuche sowohl bei noch niedrigeren als auch bei höheren Temperaturen unternommen. Am stärksten aktiv war das Molekül jedoch in dieser Temperaturspanne“, sagt Dr. Alexander Hein von der FAU.

Dr. Jochen Lennerz, dem dritten Wissenschaftler der FAU, der inzwischen an der Universität Ulm forscht, gelang es schließlich, das Molekül in den feinsten Verästelungen menschlicher Nerven nachzuweisen. „Die hochsensiblen Fäserchen liegen in den untersten Schichten der Oberhaut und sind hauchdünn. Man bräuchte mehr als 50 davon um nur die Dicke eines Haars zu füllen“ erläutert er.

Genau von diesen feinsten Fäserchen konnte Dr. Katharina Zimmermann elektrische Impulse registrieren. Die Elektrophysiologin nutzte dazu die so genannte Einzelfaserableitung, ihr Spezialgebiet. Mit dieser Technik ist es möglich, die Funktion des Sensors im Gewebe zu untersuchen. „Ich habe normale Mäuse mit Mäusen verglichen, denen das Molekül TRCP5 fehlte“, erklärt die Wissenschaftlerin. „Das Ergebnis war interessant: Es zeigte sich, dass andere, schon bekannte Kaltsensoren den Ausfall des von uns entdeckten Kaltsensors kompensieren können. Die Mäuse zeigten denn auch keine Änderung ihres Kälte-Empfindens.“ Die Forscher ziehen deswegen den Schluss, dass eine ganze Reihe von Faktoren für die körperlichen Reaktionen bei Kälte verantwortlich sind.

Das internationale Forscherteam arbeitet derzeit daran, das TRPC5-Molekül näheren Analysen zu unterziehen, insbesondere um seine Funktionsweise noch besser zu verstehen. Ihre Erkenntnisse könnten später zum Beispiel bei der Entwicklung neuer Schmerzmittel genutzt werden. „Auf unseren Forschungserfolg trinken wir jetzt aber erst einmal einen warmen Glühwein“, sagt Zimmermann.

Publikation:
PNAS, doi: 10.1073/pnas.1115387108

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Pressemitteilung der TU München vom 18.11.2011

Auf dem Weg zu maßgeschneiderten Enzymen:

Bis auf wenige Ausnahmen setzen sich alle bekannten Proteine aus nur zwanzig Aminosäuren zusammen. Vor 25 Jahren wurde eine einundzwanzigste Aminosäure entdeckt und vor zehn Jahren eine zweiundzwanzigste, das Pyrrolysin. Wie die Zelle den ungewöhnlichen Baustein jedoch herstellt, blieb ein Rätsel. Nun gelang es Wissenschaftlern der Technischen Universität München, die Struktur eines wichtigen Enzyms im Herstellungsprozess von Pyrrolysin aufzuklären. Über ihre Ergebnisse berichtet die Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ in ihrer „Early View“ Online-Ausgabe.

Proteine sind Eiweiße, die eine Vielzahl lebenswichtiger Prozesse in allen Lebewesen steuern. Sie transportieren Stoffe, katalysieren chemische Reaktionen, pumpen Ionen oder erkennen Signalstoffe. Die Komplexität und Vielzahl an Proteinen ist groß, allein im menschlichen Körper gibt es mehr als 100.000 verschiedene. Sie alle jedoch setzen sich aus nur zwanzig verschiedenen Aminosäuren zusammen. Nur sehr wenige, hochspezialisierte Proteine enthalten zusätzlich noch Selenocystein, die 1986 entdeckte und sehr selten vorkommende 21. Aminosäure.

Umso verwunderlicher war es, als 2002 in Methan-produzierenden Archaebakterien der Familie Methanosarcinaceae noch eine 22. Aminosäure entdeckt wurde, das Pyrrolysin. Es wird, ebenso wie Selenocystein und die anderen zwanzig Aminosäuren, von den Basen der DNA direkt kodiert. Die Archaebakterien nutzen die ungewöhnliche Aminosäure in Proteinen, die sie zur Energiegewinnung brauchen. Pyrrolysin befindet sich hierbei im katalytischen Zentrum der bakteriellen Proteine und ist für deren Funktion essentiell. Ohne das Pyrrolysin würde der Energiegewinnungsprozess der Archaebakterien nicht funktionieren.

Im März diesen Jahres gelang es Wissenschaftlern der Ohio State University, Teile des Pyrrolysin-Herstellungsprozesses zu entschlüsseln. Sie schlugen einen Reaktionsmechanismus vor, nach dem das Enzym PylB den ersten Schritt der Pyrrolysin-Biosynthese katalysiert, indem es die Aminosäure Lysin zum Zwischenprodukt Metyhlornithin umwandelt. Wissenschaftlern um Professor Michael Groll, Inhaber des Lehrstuhls für Biochemie am Department Chemie der TU München, gelang es nun erstmals, die Kristallstruktur von PylB durch Röntgenstrukturanalyse zu bestimmen.

Zu ihrer großen Überraschung „erwischten“ sie dabei das Enzym quasi „auf frischer Tat“: Das Produkt der Reaktion, Methylornithin, befand sich zum Zeitpunkt der Kristallisation noch im Enzym. Es lag dort in einem abgeschlossenen Raum, einer Art Reaktionskessel vor, verbunden mit jenen Zentren des Enzyms, die für seine Entstehung verantwortlich sind. „Dass das Produkt noch im Enzym vorlag, war etwas Besonderes und ein großer Glücksfall für uns“, erklärt Felix Quitterer, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Biochemie und Erstautor der Publikation. „So konnten wir das Methylornithin nicht nur direkt nachweisen, sondern auch rekonstruieren wie es aus der Ausgangsaminosäure Lysin entstanden ist“.

Diese Reaktion war nicht nur bislang unbekannt, sie ist auch nur sehr schwer zu katalysieren. Im Enzym gelingt dies einem Cluster aus vier Eisen- und vier Schwefel-Atomen im aktiven Zentrum. „Es handelt sich hier um eine außergewöhnlich elegante enzymatische Reaktion. Kein Chemiker im Labor kann Methylornithin bisher in einer Einstufenreaktion synthetisch aus Lysin herstellen“, sagt Michael Groll.

Die Umwandlung von Lysin zu Methylornithin hilft Wissenschaftlern zu verstehen, wie die Archaebakterien es schaffen, ein bestehendes System so zu modifizieren, dass eine neue Aminosäure entsteht, die, eingebaut in das richtige Protein, hinterher auch eine ganz spezielle Reaktion ausführt. Diese Kenntnisse wollen Forscher nutzen, um in Zukunft künstliche Aminosäuren nach eigenen Vorstellungen zu kreieren. Eingebaut in die richtigen Proteine ließen sich so „maßgeschneiderte“ Enzyme mit speziellen Eigenschaften herstellen, die etwa in der industriellen Biotechnologie oder der Medizin Anwendung finden könnten.

Die Synthese des Pyrrolysin ist jedoch noch aus einem weiteren Grund interessant: Wissenschaftler erhoffen sich hieraus Hinweise auf die evolutionäre Entwicklung des Aminosäure-Kanons. Warum ist die gesamte Komplexität der Proteine der Lebewesen aus nur wenigen natürlichen Aminosäuren aufgebaut, obwohl der genetische Code in der Lage wäre weitaus mehr zu kodieren? Eine Antwort auf diese grundlegende Frage nach den Minimalanforderungen für Leben gibt es heute noch nicht. Selenocystein und Pyrrolysin bilden exotische Ausnahmen. Und doch helfen die Kenntnisse über ihre Entwicklung aus den Standard-Aminosäuren, der Antwort ein Stück näher zu kommen.

Die Arbeiten wurden unterstützt aus Mitteln der Hans-Fischer-Gesellschaft und der King Abdullah University of Science and Technology sowie des Exzellenzclusters Center for Integrated Protein Science Munich. Die Messungen wurden an der PXI-Beamline des Paul Scherrer Instituts (Villigen, Schweiz) durchgeführt.

Originalpublikation:
Crystal structure of methylornithine synthase (PylB): Insights into the pyrrolysine biosynthesis. Felix Quitterer, Anja List, Wolfgang Eisenreich, Adelbert Bacher und Michael Groll, Angewandte Chemie, Early View, 16. Nov. 2011 – DOI: 10.1002/ange.201106765

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Medienmitteilung der Universität Basel vom 13.10.2011

Der US-Pharmakonzern Pfizer hat die Lizenzrechte an einem Wirkstoff erworben, an dessen Entwicklung das Institut für Molekulare Pharmazie der Universität beteiligt war. Der Wirkstoff GMI-1070 soll eine neuartige Therapie zur Behandlung von Sichelzellenanämie und bestimmter Formen von Leukämie ermöglichen. Die erste von drei Phasen der klinischen Prüfung hat er bereits erfolgreich bestanden. Zurzeit wird GMI-1070 an Patienten mit Sichelzellenanämie getestet.

Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Beat Ernst am Departement für Pharmazeutische Wissenschaften der Universität Basel hat in den vergangenen neun Jahren in Zusammenarbeit mit der US-Pharmafirma GlycoMimetics Inc. eine neuartige Therapie zur Behandlung der Sichelzellenanämie entwickelt. Seit Sommer 2010 läuft die klinische Phase II mit dem neuartigen Wirkstoff GMI-1070, einem sogenannten Pan-Selectin-Antagonisten. Pfizer, das grösste Pharmaunternehmen der Welt, hat nun mit GlycoMimetics eine Lizenzvereinbarung getroffen, welche die weitere Entwicklung des Wirkstoffs regelt.

Die Vereinbarung räumt Pfizer eine weltweit exklusive Lizenz für die Verwendung des Wirkstoffs zur Behandlung der Sichelzellanämie und anderer Krankheiten ein, bei denen Selectin-vermittelte Adhesionsphänomene eine Schlüsselrolle spielen. GlycoMimetics bleibt für den Abschluss der laufenden Phase-II-Studie zuständig, danach geht die Verantwortung für die weitere Entwicklung und Vermarktung auf Pfizer über. Der potenzielle Wert des Abkommens mit Pfizer wird von GlycoMimetics auf rund 340 Millionen US-Dollar geschätzt.

Die Arbeitsgruppe von Prof. Ernst untersucht die molekularen Grundlagen von Kohlenhydrat-Protein Wechselwirkungen. Der Erfolg der Zusammenarbeit mit GlycoMimetics Inc. verdeutlicht das therapeutische Potenzial dieser Forschungsrichtung, für deren Bearbeitung das Departement für Pharmazeutische Wissenschaften ein optimales Umfeld bietet.

Verbreitete Erbkrankheit

Sichelzellenanämie ist eine verbreitete Erbkrankheit mit erheblicher Mortalität. Ihre Ursache ist eine Mutation der Beta-Untereinheit des Hämoglobins. Die betroffenen roten Blutkörperchen verformen sich insbesondere bei Sauerstoffarmut sichelförmig und verstopfen die Kapillargefässe. Das führt zu wiederkehrenden Durchblutungsstörungen, die mit starken Schmerzen und mehrfachen Organschäden (Milzschwellung, Lungenentzündung, Herz- und Nierenversagen) verbunden sind.

Die Phase-I-Studie mit gesunden Probanden konnte im September 2009 erfolgreich abgeschlossen werden. In der Phase II werden nun in einer randomisierten Doppelblindstudie Wirkung, Sicherheit und alle Prozesse, denen ein Arzneistoff im Körper unterliegt, von GMI-1070 an hospitalisierten Sichelzellenanämiepatienten untersucht. Die Multizentren-Studie wird an US- und kanadischen Kliniken durchgeführt. GMI-1070 hat in vorklinischen Studien ein hohes Potenzial für die Behandlung der Sichelzellenanämie und bestimmter Formen von Leukämie bewiesen.

Externer Link: www.unibas.ch

Medienmitteilung der ETH Zürich vom 14.10.2011

Erstmals konnte eine Forschungsgruppe unter Leitung der ETH Zürich die Bewegung von Elektronen während einer chemischen Reaktion komplett sichtbar machen. Die Erkenntnisse aus dem Experiment sind grundlegend für die Photochemie und könnten auch dabei helfen, Solarzellen effektiver zu machen.

1999 erhielt Ahmed Zewail für seine Untersuchung von chemischen Reaktionen mit ultrakurzen Laserpulsen den Nobelpreis in Chemie. Zewail konnte die Bewegung von Atomen beobachten und dadurch Übergangszustände auf molekularer Ebene sichtbar machen. Die Bewegung einzelner Elektronen beobachten zu können, schien damals noch Zukunftsmusik zu sein. Dank neuer Lasertechnologie und intensiver Forschungstätigkeit auf dem Gebiet der Attosekundenspektroskopie (1 Attosekunde = 10-18 s) hat sich dieses Forschungsgebiet schnell entwickelt. Prof. Hans Jakob Wörner vom Laboratorium für Physikalische Chemie der ETH Zürich ist es nun in Zusammenarbeit mit Gruppen aus Kanada und Frankreich gelungen, die Bewegung von Elektronen während einer chemischen Reaktion komplett zu verfolgen. Das Experiment wird in der neusten Ausgabe des Fachmagazins Science beschrieben.

Das Forschungsteam bestrahlte Stickstoffdioxid (NO2) mit einem sehr kurzen ultravioletten Laserpuls. Das Molekül nimmt die Energie, welche in diesem Puls enthalten ist, auf und versetzt die Elektronen in Bewegung. Die Elektronen beginnen daraufhin, sich anders zu verteilen, wobei die Elektronenwolke für kurze Zeit in zwei unterschiedlichen Formen vorliegen kann. Dann gerät das Molekül in Schwingung und zerfällt schliesslich in Stickstoffmonoxid und ein Sauerstoffatom.

Konische Überschneidung

Stickstoffdioxid hat Modellcharakter im Bezug auf die Elektronenbewegung. Das Molekül besitzt eine ausgeglichene abgewinkelte Geometrie. Zudem ist klar, dass im NO2-Molekül zwei Zustände der Elektronen dieselbe Energie haben können – man spricht von einer konischen Überschneidung. Die konische Überschneidung ist zentral für die Photochemie und tritt in der Natur häufig bei chemischen Prozessen auf, die durch Licht ausgelöst werden. Die konische Überschneidung funktioniert wie eine Art Kippschalter. Trifft zum Beispiel Licht auf die Netzhaut, geraten auch dort die Elektronen in Bewegung, und die Netzhaut-Moleküle (Retinal) „klappen“ um, was letztlich die Information des Lichts in elektrische Informationen fürs Hirn umwandelt. Das besondere an konischen Überschneidungen ist, dass die Elektronenbewegung sehr effizient in eine Bewegung der Atome übergeht.

Schnappschuss vom Elektron

Hans Jakob Wörner hat schon in einer früheren Publikation gezeigt, wie mit der Attosekundenspektroskopie die Bewegung von Elektronen beobachtet werden könnte. Der erste schwache Ultraviolett-Puls regt Elektronen zur Bewegung an. Ein zweiter starker Infrarot-Laserpuls entfernt ein Elektron aus dem Molekül, beschleunigt es und führt es wieder zurück ins Molekül. Bei diesem Prozess wird ein Attosekundenpuls emittiert, der eine Momentaufnahme der Elektronenverteilung im Molekül enthält. «Man könnte das mit Fotos vergleichen, auf denen zum Beispiel eine Gewehrkugel einen Apfel durchschlägt. Für den Verschluss ist die Kugel zu schnell, also lässt man den Verschluss ganz offen und belichtet mit Blitzen, die schneller sind als die Kugel. So entsteht der Schnappschuss», veranschaulicht Wörner das Prinzip der Attosekundenspektroskopie.

Vom Experiment zur Solarzelle

Wenn das Elektron zum Molekül zurückkehrt, gibt es wieder Energie in Form von Licht ab. Im Experiment haben Wörner und seine Kollegen das Licht der Elektronen gemessen und dadurch detaillierte Informationen über die Elektronenverteilung und deren zeitlicher Entwicklung gewonnen. Diese Informationen offenbaren Details chemischer Reaktionsmechanismen, die bisher so nicht erfasst werden konnten. Das Experiment an NO2 hilft dabei, fundamentale Vorgänge in Molekülen besser zu verstehen und ist eine ideale Ergänzung zu Computersimulationen photochemischer Prozesse. «Unser Experiment ist deshalb so wichtig, weil es theoretische Modelle auf die Probe stellt. Die Erkenntnisse lassen sich unter anderem in der Photochemie anwenden», sagt Wörner. Das immense Interesse an photochemischen Prozessen überrascht nicht, denn diese Forschung soll unter anderem Solarzellen verbessern oder eines Tages künstliche Photosynthese ermöglichen.

Publikation:
H. J. Wörner et al., Conical Intersection Dynamics in NO2 Probed by Homodyne High-Harmonic Spectroscopy. Science, doi: 10.1126/science.1208664

Externer Link: www.ethz.ch