- Die DNA-Quadruplexe, eine kürzlich gemachte Entdeckung und beschleunigte Forschung. Warum diese Faszination für Strukturen, die aus vier DNA-Strängen bestehen und in mehr als 700.000 Sequenzen unseres Genoms identifiziert wurden?
Schon seit Ende der 80er Jahre vermuteten Forscher die Existenz dieser Strukturen, aber erst mit ihrem Nachweis in menschlichen Zellen im Jahr 2012 (1) begannen wir zu verstehen, wo, wann und wie sie in unserem Genom entstehen und welche Funktionen sie möglicherweise haben. Wir entdeckten, dass die Quadruplexe das Genom auf mehrere Arten beeinflussen können: sie fungieren als genetische Schalter, die die Expression bestimmter Gene steuern; sie sind auch in der Lage, die Arbeit der Enzyme, die die Replikation und Transkription der DNA regulieren, zu blockieren, was die genomische Stabilität stört. Eigenschaften, die insbesondere Krebsbiologen interessieren: die diese DNA-Quadruplexe als Ziele nutzen, um die unkontrollierte Zellteilung von Krebszellen zu bremsen, indem sie deren Genom schädigen.
Parallel zu diesen Arbeiten interessierte sich mein Forschungsteam seit 2019 für Quadruplexe, allerdings nicht in Tumorzellen, sondern in neuronalen Zellen (2). Überraschenderweise stellten wir fest, dass die Anzahl der DNA-Quadruplexe in diesen Zellen mit dem Alter zunimmt und eine Reihe von Dysfunktionen auslöst. Könnte dies eine molekulare Grundlage des Alterns sein? Dies verdiente eine nähere Untersuchung, aber die Überzeugung der Neurobiologen von der möglichen Rolle der DNA-Quadruplexe in neuronalen Zellen und deren Alterungsprozess war keine leichte Aufgabe. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von A. Tsvetkov in Houston (USA) zeigten wir, dass die Quadruplexe tatsächlich eine Rolle in diesem Altern spielen, und gehen sogar noch weiter, indem wir vorschlagen, dass Moleküle, die die DNA-Quadruplexe stabilisieren, um die Proliferation von Krebszellen zu verlangsamen, auch das Genom der Zellen des Zentralnervensystems schädigen und deren Altern beschleunigen.
- Bisher haben Wissenschaftler versucht, die DNA-Quadruplexe zu stabilisieren, um das Tumorwachstum zu bremsen. Wie könnte man sie destabilisieren, um das Altern der neuronalen Zellen zu bekämpfen?
Die Situation ist tatsächlich vielschichtig. Zunächst einmal, weil alle Arbeiten der letzten 20 Jahre darauf fokussiert waren, die Quadruplexe mit kleinen Molekülen (oder Liganden) zu stabilisieren. Als wir mit diesen Arbeiten begannen, gab es weder einen validierten destabilisierenden Wirkstoffprototyp noch einen Test, um solche zu identifizieren. Es war also alles zu tun. Eine weitere strategische Schwierigkeit ergab sich auch daraus, dass wir versuchten, mit den Quadruplexen zu interagieren, um sie zu entfernen, was bedeutete, das Verschwinden des Signals, das sie bei unseren Messungen kennzeichnet, zu verfolgen und zu interpretieren. Dieses Verschwinden konnte multifaktoriell sein und somit zu Fehlinterpretationen führen, weshalb unser Ansatz sorgfältig und vorsichtig sein musste.
Im Jahr 2021 (3) haben wir eine Reihe von In-vitro-Tests validiert, um kleine Moleküle zu identifizieren, die in der Lage sind, die Quadruplexe zu destabilisieren. Diese Arbeiten führten zur Identifizierung eines sehr vielversprechenden Prototyps, eines Moleküls namens PhpC, das kürzlich an menschlichen Zellen getestet wurde. (4) Durch spezifische optische Bildgebungstechniken und Affinitätspräzipitation konnten wir zeigen, dass PhpC tatsächlich in der Lage ist, die Anzahl der Quadruplexe zu verringern. Obwohl die beobachteten Effekte schwach sind, sind sie signifikant. Wir arbeiten jetzt daran, die Effizienz dieser Molekülgruppe zu verbessern. Leider haben wir Schwierigkeiten, Forschungsmittel zu erhalten, die darauf abzielen, den Wirkmechanismus dieser völlig neuen Klasse von Verbindungen zu entschlüsseln und zu verstehen. Vielleicht, weil dieser Ansatz einen Paradigmenwechsel impliziert...
- Welche Auswirkungen könnten Ihre Arbeiten kurz- oder langfristig, sogar sehr langfristig im Bereich der Neurobiologie haben?
Die Anwendungen und Implikationen dieser Arbeiten sind potenziell enorm. Kurzfristig können diese molekularen Werkzeuge (PhpC und seine Derivate) Anwendungen in der grundlegenden Forschung finden, die sich mit allen genetischen Erkrankungen befasst, die ein Quadruplex involvieren (Krebs, Neuropathologien usw.). Mittelfristig werden wir die Eigenschaften dieser Moleküle in vivo charakterisieren, indem wir ihre Stabilität (Metabolisierung), ihre Bioverfügbarkeit, ihre Fähigkeit, die Quadruplexe in Tiermodellen zu modulieren, usw. untersuchen... Lang- bis sehr langfristig hoffen wir, die genoprotektiven Eigenschaften dieser Verbindungen nachzuweisen, ihre Fähigkeit, die Kurve des neuronalen Alterns zu beeinflussen und das Auftreten altersbedingter Krankheiten zu verlangsamen.
Unsere Motivation? Das Fehlen einer wirksamen Behandlung für diese Pathologien. Die derzeit in der Klinik eingesetzten Wirkstoffe wirken auf die Symptome dieser Erkrankungen, behandeln aber nicht die Ursachen, weil diese schwer nachweisbar sind. Mit der Identifizierung der Rolle der Quadruplexe in diesen neuronalen Störungen haben wir möglicherweise einen vielversprechenden therapeutischen Ansatz gefunden, dessen Gültigkeit wir nun überprüfen müssen. Wir wissen, dass der Weg, der sich vor uns öffnet, lang und gewunden ist, aber die gesellschaftliche Herausforderung ist so groß, dass wir es nicht unterlassen können, es zu versuchen.
© David Monchaud
(*) DNA-Quadruplexe sind ungewöhnliche Nukleinsäurestrukturen, die vorübergehend in unserem Genom entstehen und an Schlüsselereignissen des Zelllebens teilnehmen. Gebildet aus 4 DNA-Strängen, werden diese Strukturen als Ziele genutzt, um die Expression der Gene, zu denen sie gehören, zu steuern.
Redakteur: CCdM
Referenzen:
(1) CNRS News (siehe: https://bit.ly/2UHpZjP)
(2) Small-molecule G-quadruplex stabilizers reveal a novel pathway of autophagy regulation in neurons, J. F. Moruno-Manchon et al., eLife 2020, 9, e52283 (https://doi.org/10.7554/eLife.52283).
- CNRS (https://bit.ly/39qtgrQ) und Recherche uB (https://bit.ly/2vABBKI)
- Sciences & Avenir (https://bit.ly/2SH2WD2)
- Pour La Science (https://bit.ly/2XpbiBG)
- Radio Television Suisse (https://bit.ly/3byiHoF)
(3) Identifying G-quadruplex-DNA-disrupting small molecules, J. Mitteaux et al., J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 12567 (https://doi.org/10.1021/jacs.1c04426)
- CNRS (https://tinyurl.com/3s2pxdny)
(4) PhpC modulates G-quadruplex-RNA landscapes in human cells, J. Mitteaux et al., Chem. Commun. 2024,60, 424-427.