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Präzise Abstandsmessung in DNA-G-Qua­dru­plex-Paaren

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  • Neues aus der Fa­kul­tät 2020
Bild von JProf. Kasanmascheff, Prof. Clever, Dr. Yury Kutin und Lukas Stratmann © Kasanmascheff ​/​ Clever ​/​ TU Dort­mund

DNA-G-Quadruplexe haben wichtige biologische Funktionen und wer­den als vielversprechendes Ziel von Wirkstoffen, z.B. gegen Krebs, un­ter­sucht. In interdisziplinärer Zu­sam­men­arbeit konnte in den Laboren von Prof. Guido Clever und Jun.-Prof. Müge Kasanmascheff, beide TU Dort­mund, eine Methode ent­wi­ckelt wer­den, um präzise Abstände in G-Qua­dru­plex-Paaren mit und ohne gebundene Wirkstoffkandidaten zu messen. Die bemerkenswerte Genauigkeit der Methode erlaubt die Aufklärung der Struktur solcher DNA-Gebilde sowie den Nachweis darin eingelagerter Mo­le­kü­le.

Die DNA des Men­schen liegt hautsächlich als verdrillter Doppelstrang vor, es gibt aber auch eine viersträngige Variante (sogenannte "G-Quadruplexe"), die sich aus Guanin-reichen Sequenzen zusammensetzt und ei­nem säulenartigen Stapel gleicht. Für diese wurden in den letzten Jahren mehr und mehr biologische Funktionen und medizinische Relevanz ent­deckt. Um die Rolle dieser G‑Quadruplexe im Körper zu verstehen, muss deren Aufbau und Struktur aufgeklärt wer­den. Dies ist eine herausfordernde Aufgabe, da diese speziellen DNA-Formen eine hohe strukturelle Di­ver­si­tät aufweisen. Sind räumlicher Aufbau und biologische Funktion solcher DNA-Varianten bekannt, kön­nen gezielt Mo­le­kü­le ent­wi­ckelt wer­den, die an diese G-Quadruplexe binden und deren Funktion beeinflussen. Da G-Quadruplexen eine ent­schei­den­de Rolle bei der Entstehung verschiedener Krebsarten, aber auch bei HIV und Malaria, zugeschrieben wird, haben DNA-bindende Mo­le­kü­le das Potenzial als Wirk­stoffe Ein­satz in der Medizin zu finden.

Bekannt ist zudem, dass G-Quadruplexe auch höhergeordnete Strukturen ausbilden kön­nen. Beispielsweise kön­nen sie sich paarweise zusammenlagern und sogenannte „Dimere“ bilden. Wenn sich kleine, üblicherweise flache Mo­le­kü­le in dieses Dimer einlagern, spricht man von der Aus­bil­dung von „Sandwich-Strukturen“. Der Nachweis und die räumliche Vermessung dieser Nanometer-großen Dimer- und Sandwichstrukturen ist schwierig. In enger Ko­ope­ra­ti­on ist es nun den Dort­mun­der Gruppen um Jun.-Prof. Müge Kasanmascheff und Prof. Guido Clever ge­lungen, durch gezielten Einbau von Kupfer-Ionen in chemisch-modifizierte DNA-G-Quadruplexe eine Methode zu entwickeln, um solche Verbindungen in nie dagewesener Genauigkeit in Lö­sung zu vermessen. Dabei kam die EPR-Spektroskopie zum Ein­satz, die den Abstand zwischen ungepaarten Elektronen der Kupfer-Ionen in den beiden Hälften des G-Qua­dru­plex-Stapels messen kann. In Wasser eigentlich unlösliche, kleine Mo­le­kü­le konn­ten dann in die gelösten G-Qua­dru­plex-Dimere eingelagert wer­den, worauf hin sich der Abstand zwischen den Kupferkomplexen auf charakteristische Weise vergrößert. Dank der festen und starren Bindung der Kupferkomplexe in den G‑Quadruplexen konn­ten dabei be­mer­kens­wert präzise Abstände bestimmt wer­den.

Die Arbeiten wurden im Rah­men des durch die Deutsche Forschungs­gemein­schaft (DFG) ge­för­der­ten Exzel­lenz­clus­ters RESOLV durch­ge­führt und nun in einer als „Very Important Paper“ ausgezeichneten open access Publikation in der Fach­zeitschrift An­ge­wand­te Chemie ver­öf­fent­licht. Die vorgestellte Methode eignet sich besonders zur genauen Strukturaufklärung dieser speziellen DNA-G-Quadruplexe und verspricht in Zukunft bei der Suche nach potenziell pharmakologisch wirksamen Substanzen helfen zu kön­nen.

Original Publikation:

“Precise Distance Measurements in DNA G‐Qua­dru­plex Dimers and Sandwich Complexes by Pulsed Dipolar EPR Spectroscopy”

L. M. Stratmann, Y. Kutin, M. Kasanmascheff, G. H. Clever, Angew. Chem. Int. Ed. 2020, accepted, DOI: 10.1002/anie.202008618 (VIP Paper)

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202008618

     

Kontakt

Prof. Dr. Guido Clever
Lehrstuhl für Bioanorganische Chemie

Fa­kul­tät für Chemie und Che­mi­sche Biologie
Technische Uni­ver­si­tät Dort­mund
Otto-Hahn-Str. 6
D-44227 Dort­mund, Germany

JProf. Dr. Müge Kasanmascheff
EPR Spectroscopy on Biological and Chemical Systems
Technical Uni­ver­sity of Dort­mund
Department of Chem­is­try and Chemical Biology
Room C2-05-106
Otto-Hahn-Str. 6
44227 Dort­mund, Germany

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