DNA-Doppelhelix müsste sich wie Magnete abstoßen

Zwei gleich gepolte Magnete stoßen sich ab. Bei DNA ist es ähnlich: Ihre Außenseite trägt negative elektrische Ladungen, deshalb müssten sich zwei DNA-Doppelhelices eigentlich voneinander fernhalten. Trotzdem müssen passende DNA-Abschnitte in unseren Zellen zueinanderfinden – etwa wenn Chromosomen organisiert oder Erbinformationen neu kombiniert werden.

Forscher der Universitäten York und Sheffield haben nun erstmals direkt sichtbar gemacht, wie dieser scheinbare Widerspruch gelöst werden kann. Zwei DNA-Doppelhelices verbinden sich, indem sich ihre spiralförmigen Furchen präzise gegeneinander ausrichten. Positiv geladene Ionen sitzen dabei zwischen den Molekülen und bilden winzige Brücken, die beide Doppelhelices zusammenhalten. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Nucleic Acids Research.

DNA-Doppelhelix erstmals direkt beim Aneinanderdocken beobachtet

Um den Vorgang sichtbar zu machen, nutzte das Team hochauflösende Rasterkraftmikroskopie. Dabei tastet eine extrem feine Spitze die Oberfläche einer Probe ab und erstellt ein Höhenprofil im Nanometerbereich.

Auf den Aufnahmen lagen die großen und kleinen Furchen benachbarter DNA-Doppelhelices auffällig präzise nebeneinander. Die Struktur entsprach damit einem Modell, das Forscher seit mehr als 20 Jahren diskutieren: Zwei Doppelhelices können sich seitlich so ausrichten, dass ihre spiralförmigen Oberflächen zueinanderpassen. Bislang fehlte dafür die direkte strukturelle Beobachtung.

Die Wissenschaftler untersuchten unter anderem lineare DNA-Fragmente mit 339 Basenpaaren. Je nach verwendetem Ion befanden sich im Mittel rund zehn bis 14 Prozent der Moleküle in einem gepaarten Zustand. Die Kontaktzonen erstreckten sich typischerweise über etwa 14 bis 16 Nanometer – ungefähr drei bis vier Windungen der Doppelhelix.

Computersimulationen liefern den Mechanismus

Die Mikroskopaufnahmen verrieten, wie die Moleküle liegen. Warum sie dort bleiben, klärten die Forscher mit atomistischen Computersimulationen.

Dafür simulierten sie kurze DNA-Abschnitte zusammen mit Wasser und unterschiedlichen Ionen. Insgesamt umfasste die Untersuchung 40 Simulationen mit einer Gesamtdauer von mehr als 20 Mikrosekunden.

Dabei zeigte sich ein wiederkehrendes Muster: Zweiwertige Ionen konnten gleichzeitig mit beiden DNA-Molekülen wechselwirken. So entstanden kleine Brücken zwischen den Doppelhelices.

Besonders eng lagen die Moleküle dann zusammen, wenn sich ihre kleinen Furchen direkt gegenüberstanden. Bei Nickel fanden die Forscher besonders stabile Kontakte an der kurzen Basenfolge GTAC. Einige dieser Ionen blieben in den Simulationen länger als 60 Nanosekunden an derselben Bindungsstelle.

Auch Magnesium und Calcium konnten solche Verbindungen stabilisieren. Das ist biologisch besonders interessant, weil beide Ionen in Zellen vorkommen. Magnesium konnte zusätzlich Kontakte über die größere Furche der DNA vermitteln.

Drei Punkte sind dabei besonders wichtig:

Zweiwertige Ionen können Brücken zwischen zwei DNA-Doppelhelices bilden.
Besonders stabile Kontakte entstehen, wenn sich die Furchen beider Moleküle passend gegenüberliegen.
Welche DNA-Bereiche besonders gut zusammenpassen, hängt auch von der Art des Ions und von der Basensequenz ab.

Gleiche DNA-Sequenzen sind nicht für den ersten Kontakt nötig

Ein weiterer Befund macht den Mechanismus interessanter: Die Moleküle verbanden sich keineswegs nur dann, wenn die beiden DNA-Abschnitte vollständig zueinanderpassten.

Nicht-homologe Anordnungen waren sogar häufig. Sie machten bei Nickel 63 Prozent, bei Calcium 57 Prozent und bei Magnesium 64 Prozent der beobachteten Paarungen aus. Der erste Kontakt scheint deshalb nicht allein davon abzuhängen, ob zwei DNA-Sequenzen identisch sind.

Die Forscher vermuten vielmehr einen zweistufigen Vorgang. Zunächst können Ionen lokale Kontaktstellen erzeugen. Passen die beiden DNA-Sequenzen besonders gut zueinander, bleibt die räumliche Ausrichtung über eine längere Strecke erhalten. Die Verbindung könnte sich dann entlang der Doppelhelix weiter fortsetzen.

Auch die bevorzugten Kontaktstellen unterschieden sich. Bei Nickel und Calcium häuften sie sich im mittleren Bereich der untersuchten DNA-Fragmente. Bei Magnesium waren sie gleichmäßiger verteilt. Das spricht dafür, dass nicht allein die elektrische Ladung entscheidet. Auch die lokale Form und Sequenz der DNA beeinflusst, wo eine Verbindung besonders stabil wird.

Warum DNA überhaupt ihresgleichen finden muss

Solche Begegnungen spielen bei grundlegenden Vorgängen im Erbgut eine Rolle. Chromosomen müssen sich im Zellkern organisieren, und bei der homologen Rekombination müssen passende DNA-Bereiche einander erkennen. „Es war unglaublich, den lange vermuteten Mechanismus erstmals direkt sichtbar machen zu können“, sagt Thomas Catley von der University of Sheffield.

Agnes Noy von der University of York sieht darin auch eine Möglichkeit, künftig bestimmte Bereiche des Genoms genauer zu untersuchen. Manche DNA-Abschnitte könnten besonders leicht solche Kontakte eingehen. Veränderungen an diesen Stellen könnten dadurch Prozesse beeinflussen, die für die Organisation und Stabilität des Erbguts wichtig sind.

Die Ergebnisse bedeuten allerdings nicht, dass der Vorgang bereits direkt in einer lebenden menschlichen Zelle beobachtet wurde. Die Rasterkraftmikroskopie arbeitete mit kurzen DNA-Molekülen unter kontrollierten Laborbedingungen.

Auch die Simulationen mahnen zur Vorsicht: Unter physiologischeren Bedingungen mit Magnesium und Calcium bildeten sich parallele Paarungen seltener als bei den höher konzentrierten Versuchssystemen.

Der entscheidende Fortschritt bleibt trotzdem grundlegend. Forscher können nun erstmals direkt sehen, wie zwei DNA-Doppelhelices trotz ihrer gegenseitigen elektrischen Abstoßung eng zusammenliegen – und welche molekularen Brücken diese Nähe ermöglichen.

Kurz zusammengefasst:

Zwei negativ geladene DNA-Doppelhelices können sich mithilfe positiv geladener Ionen eng aneinanderlagern.
Die Moleküle richten dabei ihre Furchen aufeinander aus; Ionen bilden Brücken zwischen beiden Doppelhelices.
Gleiche Sequenzen lösen den ersten Kontakt offenbar nicht zwingend aus, könnten die Verbindung aber über längere DNA-Bereiche stabilisieren.

Übrigens: Auch im Gehirn verändert sich ständig, welche DNA-Bereiche miteinander in Kontakt stehen. Welche Rolle dabei das Protein SATB2 spielt und warum das für Denken und Lernen wichtig sein könnte, lesen Sie in unserem Artikel.