Metallionen als Schalter: Kupfer, Nickel & Co. steuern die Faltung von DNA G-Quadruplexen

G-Quadruplexe sind viersträngige DNA-Strukturen, die sich aus Guanin-reichen Sequenzabschnitten falten. Sie kommen unter anderem in den Telomeren an den Chromosomenenden und in den Steuerregionen zahlreicher Gene vor und spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation der Genexpression und beim Erhalt der Chromosomenstabilität. Da sie an krankheitsrelevanten Prozessen – insbesondere bei Krebs und neurodegenerativen Erkrankungen – beteiligt sind, gelten sie als vielversprechende Zielstrukturen für neue Wirk­stof­fe. Ein und dieselbe DNA-Sequenz kann dabei je nach Umgebungsbedingungen verschiedene Faltungsformen („Topologien“) einnehmen. Welche Form vorliegt, entscheidet mit darüber, welche Proteine an die DNA binden können. Genau diese Formenvielfalt genau zu kontrollieren, ist das Ziel einer entsprechenden Projektlinie der AG Clever, aus der die nun erschienene Arbeit hervorging.

Dazu setzen die Forschenden auf ein Konzept aus der Bioanorganischen Chemie: Anstelle einzelner natürlicher Bausteine wird ein künstlicher, metallbindender Baustein gezielt in verschiedenen Positionen eines DNA-Strangs eingefügt. Erstautor Armin Durmisevic entwickelte hierfür eine Syntheseroute zu einem Bipyridin-Ligandosid, dessen einfach aufgebautes Glycol-Rückgrat sich wie ein gewöhnlicher DNA-Baustein an jeder gewünschten Position über automatisierte Oligonukleotid-Festphasensynthese einbauen lässt. Joseph Openy führte die begleitenden Molekulardynamik-Simulationen durch, Mrunal Nanda war an Synthese und Charakterisierung beteiligt, und Aatikah Majid (Imperial College London) begleitete die Zell- und Mikroskopiestudien.

Für die Untersuchungen wurden Sequenzen aus der menschlichen Telomerregion, aus dem Telomerbereich des Wimpertierchens Tetrahymena sowie aus der Steuerregion des Onkogens Myc jeweils an zwei Positionen mit dem neuen Baustein ausgestattet. Die beiden Bipyridin-Einheiten binden gemeinsam genau ein Metallion – und dies mit außerordentlich hoher Affinität. Der Effekt auf die Stabilität ist beträchtlich: Die sogenannte Schmelztemperatur der modifizierten DNA (Entfaltung in wässriger Lösung) steigt um bis zu 31 Grad. Besonders bemerkenswert ist das Verhalten der Telomer-abgeleiteten Sequenz: Wird das Metallion zu einem bereits gefalteten G-Quadruplex gegeben, lagert sich die Struktur innerhalb von etwa anderthalb Stunden vollständig in eine andere Topologie um. Kinetische Messungen und Computersimulationen legen nahe, dass die DNA dabei nicht vollständig entfaltet, sondern über einen nur kurzzeitig auftretenden, nur teilweise geöffneten Zwischenzustand in die neue Form übergeht. Durch Zugabe des Komplexbildners EDTA lässt sich das Metall wieder entfernen und die ursprüngliche Faltung zurückgewinnen – der Schalter ist also reversibel.

Auch unter Bedingungen, die dem dichtgepackten Inneren einer Zelle nachempfunden sind, bleiben die metallstabilisierten Strukturen weitgehend erhalten, während die unmodifizierten Gegenstücke ihre Faltung verlieren. In Zellversuchen an zwei menschlichen Krebszelllinien konnten fluoreszenzmarkierte Varianten erfolgreich eingeschleust werden, ohne die Zellen augenscheinlich stark zu schädigen. Interessanterweise gelangten die mit Nickel stabilisierten G-Quadruplexe deutlich besser in den Zellkern als die metallfreien Varianten und lagen dort offenbar weiterhin gefaltet vor. Einzelheiten zum Verhalten solch modifizierter G-Quadruplexe in lebenden Zellen und deren Interaktion mit Proteinen und anderen Oligonukleotiden sind Bestandteil laufender und zukünftiger Studien der Gruppe.

Damit eröffnet sich ein Weg zu robusten, durch chemische Stimulantien steuerbaren DNA-Konstrukten, die künftig zum Beispiel als „Köder“ eingesetzt werden könnten, um Proteine wie Transkriptionsfaktoren abzufangen und so G-Quadruplex-abhängige Prozesse in der Zelle auszulösen. Auch der Einsatz als diagnostische Sonden, die von den speziellen Eigenschaften der eingelagerten Übergangsmetallionen profitieren, ist derzeit in Arbeit. Die nächsten Schritte der Arbeitsgruppe zielen auf die Ent­wick­lung noch kleinerer, weniger strukturstörender Modifikationen ab, ferner auf die systematische Suche nach proteinbindenden Varianten und darauf, mit den metallstabilisierten Konstrukten gezielt biologische Antworten auszulösen.