Erkennung der Cytosinmethylierung

Obwohl die Methylierung von Cytosin an seiner C5-Position eine große Anzahl von biologischen Funktionen der DNS kontrolliert, sind die strukturellen Auswirkungen der Methylierung noch nicht vollständig verstanden. Experimentelle Ergebnisse legen nahe, dass eine einzelne Methylgruppe nur geringfügige Veränderungen vor allem im Rückgrat der DNS bewirkt. Dennoch weisen andere kristallographische Ergebnisse darauf hin, dass 5.Methylcytosin DNS in die A- und Z-Form zwingen, und sogar eine neue methylierungsabhängige "exzentrische" Konformation wird diskutiert. Weiters beweisen Festkörper-NMR-Experimente an methylierter DNS, dass die Modifikation die DNS-Rückgrat-Dynamik beeinflusst. Die Amplitude der Zuckerpseudorotation, die mechanisch mit der Konformation des DNS-Rückgrats gekoppelt ist, wird durch die Methylierung reduziert. Zusätzliche Analysen von Röntgenstrukturen zeigen, dass die Methylierung überraschenderweise die Hydratisierung der DNS begünstigt. Computersimulationen bieten mittels Molekulardynamik- und Freien Energie-Rechnungen das optimale Werkzeug, um ein detailliertes strukturellen und energetisches Verständnis des Methylierungseffekts zu erlangen. Unsere Erfahrung auf dem Gebiet der Simulation von DNS, insbesondere mit Schwerpunkt auf DNS-Rückgrat- Umlagerungen qualifiziert uns optimal für diese Forschung. Im Detail sind wir an den Auswirkungen der Methylierung auf Struktur, Flexibilität und Hydratisierung und an der selektiven Erkennung der methylierten DNS durch natürlich vorkommende Proteine interessiert.

Die biologische Aufgabe der DNS ist die Speicherung der Erbinformation in Form einer Abfolge von Basenpaaren. Diese Erbinformation wird in den Zellen ausgelesen und in RNS umgeschrieben (transkribiert). Die RNS wird in weiterer Folge in eine Proteinsequenz übersetzt (translatiert), die dann die eigentliche biologische Funktion im Körper beispielsweise in Form eines Enzyms ausführt. Das Auslesen der DNS wird aber nicht nur durch die reine Abfolge von Basenpaaren bestimmt, sondern auch durch eine chemische Veränderung der Basen, nämlich durch Methylierung von Cystin. Diese Methylierung kann zum Beispiel zur Abschaltung einzelner Gene oder zur Inaktivierung ganzer Chromosomen führen und ist somit von größter biologischer Bedeutung. Im Projekt wurde mittels Computersimulationen untersucht welche Veränderung in der Struktur und Beweglichkeit von DNS durch diese Methylierung hervorgerufen wird. Dabei zeigte sich, dass die Veränderungen vor allem im Bereich des hochgeladenen Rückgrats der DNS auftreten, das für die Annäherung und Bindung von Proteinen, die das Umschreiben der DNS in RNS bewirken und kontrollieren, von entscheidender Bedeutung ist. Um die Auswirkungen dieser Veränderungen abschätzen zu können, wurden einerseits Wirkstoffe untersucht, die sich in die DNS einlagern (interkalieren), und andererseits Proteine studiert, die an die DNS teilweise im unmethylierten teilweise im methylierten Zustand binden. Dabei fanden wir wiederum, dass Veränderungen im Rückgrat der DNS in allen Fällen eine entscheidende Rolle spielen. Dies legt den Schluss nahe, dass die Methylierung der DNS ganz wesentlich über Veränderung im Rückgrat ausgelesen wird. Anwendungen für das gewonnene Wissen liegen vor allem im Bereich des Wirkstoffdesigns. Wirkstoffe, die möglichst spezifisch an bestimmte Bereiche der DNS binden und das Rückgrat der DNS umformen, bieten ein großes therapeutisches Potential für viele Krankheiten, aber vor allem in der Krebstherapie. Solche Wirkstoffe können dazu dienen bei möglichst geringen Nebenwirkungen bestimmte Fehlfunktionen von Zellen zu beseitigen. Das im Projekt geschaffenen Know-how lässt sich dazu verwenden, entsprechende Wirkstoffe zu suchen und zu verbessern.