Neue Wege für die Krebsforschung – Enzymfalle beleuchtet Fehlfunktionen in der Zelle

Das Erbmolekül DNA liegt eng mit Proteinen verpackt im Zellkern vor. Die Aktivität der Gene auf der DNA wird auch über deren Verpackungsdichte gesteuert. Gene, die in bestimmten Zellen gar nicht oder nicht mehr nötig sind, werden ganz abgeschaltet. Sie sind dabei sehr dicht und unzugänglich verpackt und mit so genannten Methylgruppen markiert. Diese kleinen chemischen Verbindungen werden von DNA-Methyltransferasen, einer Gruppe von Enzymen, mit hoher Präzision an die betreffenden Stellen der DNA – meist die Kontrollregion von Genen – angehängt. Veränderungen im Methylierungsmuster der DNA werden häufig bei Krebszellen gefunden. Bislang war sehr wenig über die DNA-Methyltransferasen bekannt. In Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaftlern gelang es Professor Heinrich Leonhardt vom Biozentrum der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München nun, eine „Falle“ für diese Enzyme zu entwickeln. Diese soll Einblicke in deren Funktion in der lebenden Zelle, aber auch einen neuen Ansatz zur Prävention und Behandlung von Krebserkrankungen bieten, wie in Nature Methods berichtet.

DNA-Methyltransferasen spielen eine zentrale Rolle in der Epigenetik. Dieses komplexe regulatorische Netzwerk von Modifikationen betrifft nicht direkt die in der DNA enthaltene Erbinformation, sind aber entscheidend für die Genaktivität. „Die Markierung und damit das Abschalten von Genen ist wichtig bei der Entwicklung von der befruchteten Eizelle bis zum reifen Organismus mit spezialisierten Zellen, etwa Muskel- und Nervenzellen“, so Heinrich Leonhardt. „Werden dabei die falschen Gene markiert und abgeschaltet oder Gene fälschlicherweise nicht abgeschaltet, kann das fatale Folgen haben. Im schlimmsten Fall wird dadurch die fein austarierte Balance der Wachstumskontrolle gestört, sodass Krebszellen entstehen.“ Tatsächlich können bei fast allen Tumorerkrankungen veränderte DNA-Methylierungsmuster nachgewiesen werden.

Aufgrund dieser relativ jungen Erkenntnis aus der Krebsforschung sind die DNA-Methyltransferasen, die ja für die Markierung von Genen verantwortlich sind, für die Forschung außerordentlich interessant. Mangels anderer experimenteller Optionen wurden die Enzyme bislang nur im Reagenzglas untersucht. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sind aber nur von limitierter Aussagekraft, weil die Enzyme nicht in ihrer natürlichen Umgebung beobachtet werden können. Den erhofften Blick in die lebende Zelle erlaubt jetzt aber eine neue experimentelle Methode, die von Heinrich Leonhardt und seinen Mitarbeitern in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Dr. M. Cristina Cardoso vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in Berlin entwickelt wurde.

Dabei wird den Enzymen eine Falle gestellt: Jedes Mal, wenn eine DNA-Methyltransferase eine Methylgruppe anhängt, verhindert dieser Mechanismus, dass sich das Enzym wieder von der DNA ablösen kann. Die Methyltransferase hängt fest. Weil die Enzyme mit grün oder rot fluoreszierenden Proteinen markiert wurden, sind sie in lebenden Zellen sichtbar. Spezielle Mikroskoptechnik lässt dann beobachten, ob die Falle zugeschnappt ist, und welches Enzym unter welchen Umständen aktiv oder blockiert ist. „Damit ist es nicht nur zum ersten Mal möglich, die Aktivität der Enzyme in lebenden Zellen zu verfolgen“, so Heinrich Leonhardt. „Wir versprechen uns davon auch neue Erkenntnisse zur Regulation der DNA-Methyltransferasen und Hinweise auf mögliche, krebsauslösende Fehlerquellen. Außerdem wollen wir auf diesem Weg Wirkstoffe suchen, die diese Fehler wieder rückgängig machen und fälschlich markierte und somit abgeschaltete Gene wieder aktivieren. Das wiederum könnte neue Wege zur Prävention und Therapie von bestimmten Tumorerkrankungen eröffnen.“ (suwe)

Veröffentlichung:
„Trapped in action: direct visualization of DNA methyltransferase activity in living cells“, Lothar Schermelleh, Fabio Spada, Hariharan P. Easwaran, Kourosh Zolghadr, Jean B. Margot, M. Cristina Cardoso & Heinrich Leonhardt, Nature Methods, 22. September 2005, online edition

Begleitender und kommentierender Artikel:
„In living color: DNA methyltransferase caught in the act“, Kornel Schuebel & Steve Baylin, Nature Methods

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Heinrich Leonhardt
Biozentrum der LMU
Tel: 089 / 2180-74232
Fax: 089 / 2180-74236
E-Mail: H.Leonhardt@lmu.de