Sommer, Sonne, Hautkrebs – Warum sind UVA-Strahlen gefährlich?

Forscher des Leibniz-Instituts für Altersforschung in Jena klärten mit Kollegen der TU Darmstadt und dem Dermatologischen Zentrum Buxtehude nun auf, dass UVA zunächst oxidative Schäden in der DNA verursacht. Liegen diese Schadstellen sehr nah beieinander, dann führt die Reparatur zu gefährlichen Doppelstrangbrüchen. Nucleic Acids Res. 2012, doi: 10.1093/nar/gks824

Ultraviolette Anteile des Sonnenlichts (UV-Strahlung) schädigen die Haut und führen zu vorzeitiger Hautalterung, aber auch Hautkrebs. Grund dafür sind schwer reparierbare Schäden (Mutationen) im Erbgut unserer Zellen. Experimentelle und epidemiologische Studien der letzten Jahre haben darüber hinaus gezeigt, dass nicht nur die natürliche Strahlung (Sonne), sondern auch künstliche Lichtquellen, wie z.B. in Solarien, zur Krebsentstehung beitragen. Deshalb wurde von der Weltgesundheitsorganisation WHO die UV-Strahlung bereits als Karzinogen der Klasse 1 eingestuft.

UV-Strahlung (100-400 nm) kann in das kurzwellige (starke) UVC, das UVB im mittleren Bereich und das langwellige (weiche) UVA unterteilt werden. Während UVC nahezu vollständig von der Ozonschicht absorbiert wird, gelangen UVA (90%) und UVB (10%) auf die Erde und unsere Haut. UVA dringt tief in die Haut ein, UVB nur bis in die oberen Hautschichten. Durch seine Energie ist UVB aber in der Lage, die Doppelstränge der DNA aufzubrechen und die Haut nachhaltig zu schädigen. Da UVA sehr viel energieärmer ist, wurde bisher angenommen, dass die erbgutschädigende Wirkung von UVA nicht durch Doppelstrangbrüche induziert werden kann. Mit Kollegen der TU Darmstadt (Dr. Alexander Rapp) und des Dermatologischen Zentrums Buxtehude (Dr. Rüdiger Greinert) konnten Forscher des Leibniz-Instituts für Altersforschung – Fritz-Lipmann-Institut (FLI) in Jena das nun widerlegen und den zugrunde liegenden Mechanismus aufklären.

„Jede Zelle in unserem Körper erleidet pro Tag ca. 60.000 DNA-Schäden, doch unser Körper verfügt über ein geniales Reparatursystem, das mit extrem hoher Genauigkeit solche Schäden reparieren kann“, berichtet Prof. Karl-Otto Greulich vom Leibniz-Institut für Altersforschung. „Doch ab und zu passieren Fehler“, räumt der Biophysiker gleichzeitig ein. „Treten diese Fehler nur in einem DNA-Strang auf, dann dient der komplementär dazu aufgebaute, zweite Strang der Doppelhelix als Reparaturvorlage und der Schaden kann problemlos repariert werden; treten jedoch in beiden Strängen Fehler auf, dann bricht die DNA auseinander und die Reparatur wird sehr viel schwieriger und damit auch fehlerhafter“. „Diese schweren Fehler können dann zu Alterungserscheinungen und Krebserkrankungen führen“, so Prof. Greulich weiter.

„Dass UV-Strahlung solche DNA-Schäden verursacht und die Bestrahlung mit UVB zu Doppelstrangbrüchen in der DNA führt, ist gesichert“, berichtet Dr. Alexander Rapp, der seine Doktorarbeit in der Gruppe von Prof. Greulich angefertigt hat und jetzt an der TU Darmstadt tätig ist. „Dass wir aber nach UVA-Bestrahlung ebenfalls Doppelstrangbrüche in den Zellen nachweisen konnten, hat uns schon überrascht“, so Rapp weiter, „denn aufgrund der niedrigeren Energie sollte UVA dazu gar nicht in der Lage sein“. Wie aber entstehen solche Doppelstrangbrüche?
Man weiß, dass UVA oxidative Schäden innerhalb der DNA verursacht. Um zu klären, ob die radikalen Sauerstoffspezies (ROS) für die Bildung der Doppelstrangbrüche verantwortlich sind, behandelten die Jenaer ihre zu untersuchenden Zelllinien mit Naringin, einem Bioflavonoid-Derivat aus Zitrus-Arten. Diese Substanz verhindert oxidative Schäden und fungiert als Radikalfänger (Antioxidantie). „Im Vergleich zu unbehandelten Zellen reduzierte die Naringin-Vorbehandlung deutlich die Menge an beschädigter DNA und ist somit ein Indiz dafür, dass freie Sauerstoffradikale für das Schadensbild essentiell sind“, berichtet Prof. Greulich. „Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass UVA bei physiologisch relevanten Dosen, diese Läsionen induziert und die Menge an gebildeten ROS in Abhängigkeit von der Strahlendosis konstant bleibt.“ Zur Messung der ROS-Produktion wurden Strahlungsstärken von 50 bis 200 W/m2 verwendet; die natürliche UVA-Strahlung der Sonne für Mitteldeutschland beträgt um die Mittagszeit im Juni etwa 50 W/m2.

Durch Variation des Comet-Assays, einem Verfahren zur Detektion von Einzel- und Doppelstrangbrüchen in Zellen, gelang es den Forschern einen Mechanismus abzuleiten, wie UVA-Strahlung zur Bildung von Doppelstrangbrüchen beiträgt. „Diese Brüche resultieren indirekt aus der Reparatur von oxidativen Schäden, d.h. sie entstehen dann, wenn beide Einzelstränge eine Bruchstelle aufweisen und sich die Bruchstellen in räumlicher Nähe zueinander befinden“, informieren die Forscher.
Diese Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nucleic Acids Research veröffentlicht. „Da UVA nicht nur die Hauptkomponente des Sonnenlichts, sondern auch künstlicher UV-Quellen, wie z.B. in Solarien, ist, liefert die Studie wichtige Fakten für die Hautkrebs-Ätiologie und die Risikobewertung von UV-Strahlung“, betont Dr. Rüdiger Greinert vom Dermatologischen Zentrum in Buxtehude.

Eine kleine Entwarnung gibt es jedoch. Frühere Untersuchungen der Arbeitsgruppe Greulich haben gezeigt, dass eine Vorbehandlung mit Infrarotstrahlung (Rotlicht) die DNA-Reparaturmaschinerie im Körper soweit stärkt, dass die Mehrzahl der Doppelstrangbrüche fehlerfrei repariert werden kann. Und da beim Sonnenlicht auch immer automatisch rotes Licht mitgeliefert wird, ist ein natürliches Sonnenbad nicht ganz so gefährlich, wie es auf den ersten Blick erscheinen mag, ein Gang ins Solarium aber deutlich riskanter.

Kontakt:

Dr. Kerstin Wagner
Leibniz-Institut für Altersforschung – Fritz-Lipmann-Institut (FLI)
Beutenbergstr. 11, 07745 Jena
Tel.: 03641-656378, Fax: 03641-656351, E-Mail: presse@fli-leibniz.de

Originalpublikation:

Greinert R, Volkmer B, Henning S, Breitbart EW, Greulich KO, Cardoso MC, Rapp A. UVA-induced DNA double-strand breaks result from the repair of clustered oxidative DNA damages. Nucleic Acids Res. 2012 Aug 30. doi: 10.1093/nar/gks824.

Hintergrundinfo

Ultraviolette Strahlung (UV-Strahlung) ist eine Form der elektromagnetischen Strahlung, kommt natürlich vor und ist energiereicher und kurzwelliger als das sichtbare Licht. Sie reicht von 100 nm bis 400 nm und kann vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden. Die wichtigste Strahlungsquelle ist die Sonne. Sie kann aber auch künstlich erzeugt werden, z.B. durch UV-Lampen. Es gibt drei Formen der UV-Strahlung: UVA (langwellig, 315-400 nm), UVB (280-315 nm) und UVC (kurzwellig, 100-280 nm). Alle drei kommen in unterschiedlichen Anteilen im Sonnenlicht vor. In der Regel gelangen nur UVA- (90%) und UVB-Strahlen (10%) an die Erdoberfläche; UVC wird durch die Ozonschicht absorbiert. Die UV-Strahlung wurde als „wahrscheinlich humankanzerogen“ klassifiziert.

Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) ist Träger der genetischen Information und enthält in verschlüsselter Form die Bauanleitung zur Herstellung aller Eiweißstoffe (Proteine) einer Zelle. Diese Instruktionen müssen bei der Zellteilung an beide Tochterzellen weitergegeben werden. Die Raumstruktur der DNA kann mit einer in sich verdrehten Strickleiter verglichen werden. Die Längsachsen der Leiter bestehen aus Zuckermolekülen, die Sprossen (Querverbindungen) aus vier verschiedenen Basen (Cytosin, Guanin, Adenin, Thymin). Diese Sprossen bestehen immer aus zwei sich ergänzenden Basen, weshalb die DNA-Stränge auch als komplementär bezeichnet werden. Von den vier zur Paarbildung verfügbaren Basen passen aufgrund ihrer Struktur nur zwei Typen besonders gut zusammen (C und G, A und T).
Treten Fehler in der DNA auf, können diese die Proteinsynthese beeinträchtigen und damit schwerwiegende Folgen für die Zelle und den Organismus nach sich ziehen. Deshalb greifen bei DNA-Schäden mehrere hochpräzise Reparaturmechanismen ein.

Der Comet-Assay (Einzelzellgelelektrophorese) ist eine Methode zur Messung von DNA-Schäden in humanen, tierischen und pflanzlichen Einzelzellen. Dabei wird eine Zelle in ein Gel eingebettet und durch ein starkes elektrisches Feld werden DNA-Bruchstücke aus dem Zellkern herausgezogen. Das hat dann das Erscheinungsbild eines Kometen mit Schweif. Ausgewertet wird die Zahl der geschädigten und unbeschädigten Zellkerne, entweder von Hand oder durch spezielle Computerprogramme mit visueller Erfassung. Die Methode wurde 1984 von Östling & Johanson zum Nachweis von DNA-Doppelstrangbrüchen entwickelt; durch Verwendung basischer Puffer (Singh) können aber auch DNA-Einzelstrangbrüche nachgewiesen werden.

Das Leibniz-Institut für Altersforschung – Fritz-Lipmann-Institut (FLI) in Jena ist das erste deutsche Forschungsinstitut, das sich seit 2004 der biomedizinischen Altersforschung widmet. Über 330 Mitarbeiter aus 25 Nationen forschen zu molekularen Mechanismen von Alterungsprozessen und altersbedingten Krankheiten. Näheres unter http://www.fli-leibniz.de.

Die Leibniz-Gemeinschaft verbindet 86 selbständige Forschungseinrichtungen, deren Ausrichtung von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften reicht. Leibniz-Institute bearbeiten gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevante Fragestellungen. Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Grundlagenforschung, unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer in Richtung Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Die Institute pflegen intensive Kooperationen mit Hochschulen, der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland und unterliegen einem maßstabsetzenden transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 16.500 Personen, darunter 7.700 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Der Gesamtetat der Institute liegt bei 1,4 Milliarden Euro.