DNA-Reparatur: Zugucken, wie die Zelle arbeitet
Reparaturprozess wird durch Fluoreszenz sichtbar gemacht
Die Wirkung hoher Dosen ionisierender Strahlung, wie sie bei Reaktorunfällen oder dem Einsatz atomarer Waffen frei wird, ist unumstritten und umfangreich dokumentiert. Doch die Effekte niedriger Strahlendosen auf menschliche Zellen sind bisher nicht ausreichend erforscht. Hier wollen Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) gemeinsam mit Molekularbiologen neue Erkenntnisse gewinnen: Mit Hilfe eines Mikro-Ionenstrahls, Microbeam genannt, bestrahlen sie die Bestandteile lebender Zellen gezielt mit einzelnen oder abgezählten Teilchen. An den dadurch entstehenden Doppelstrangbrüchen der DNA setzen innerhalb von Sekunden oder Minuten Reparaturmechanismen ein, die durch einen Fluoreszenzprozess sichtbar gemacht werden können. Dadurch lässt sich der Reparaturprozess nun "live", also in Echtzeit, am Mikroskop verfolgen. Dieses "Live Cell Imaging" genannte Verfahren soll sowohl Aufschluss über Strahlenschäden und die Abfolge von verschiedenen Reparaturmechanismen in den Zellen bringen als auch zeigen, inwiefern Medikamente diese Prozesse beeinflussen könnten.
Am Microbeam wurden menschliche Zellen (hier: Fibroblasten) in einem Muster (Linienabstand 10µm, Trefferabstand ca.1µm, symbolisiert durch die gelben Punkte) mit α-Teilchen bestrahlt. Entlang der Teilchenbahn entstehen Doppelstrangbrüche in der DNA. Auf dem Bild leuchten sie, weil sich fluoreszenzmarkierte Reparaturproteine an den Bruchstellen sammeln.
PTB
Zu den Quellen für eine schwache Strahlenbelastung zählen beispielsweise das natürlicherweise im Boden vorkommende Radon oder auch gelegentliche Röntgenaufnahmen. Über das Gesundheitsrisiko durch geringe Strahlendosen von weniger als 50 mSv gibt es bisher kaum belastbare Daten und Berechnungen. Um es besser abschätzen zu können, müssen die grundlegenden strahlenbiologischen Wirkungsmechanismen verstanden werden. Der Microbeam ist ein wichtiges Instrument, um durch die gezielte Bestrahlung mit einzelnen oder abgezählten Teilchen im Zellkern, der die Erbinformation (DNA) enthält, oder im Zytoplasma lebender Zellen genau definierte Strahlendosen und Ionisationen zu erzeugen. Dadurch entstehen entlang der Teilchenbahn Doppelstrangbrüche der DNA und andere Strahlenschäden, die fast augenblicklich Reaktionen und Reparaturprozesse in den Zellen auslösen.
Um die Schäden und den Prozess der Reparatur in den Zellen sichtbar zu machen, verbinden die Wissenschaftler fluoreszierende Proteine mit den körpereigenen Reparaturproteinen durch gentechnische Fusion. Sammeln sich die Reparaturproteine nun innerhalb von Sekunden oder Minuten an den Doppelstrangbrüchen, können sie als leuchtende Punkte "live" unter dem Mikroskop beobachtet werden. Inzwischen ist es sogar möglich, verschiedene Proteine mit unterschiedlichen Fluoreszenzen zu erzeugen und diese - da farblich verschieden - voneinander getrennt zu beobachten. Diese neuen und vielfältigen Zellsysteme wurden von den Partnern an der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ, Braunschweig) und der Universitätsklinik Düsseldorf durch stabile Gentransfers entwickelt.
Während in früheren Studien hauptsächlich die späten biologischen Effekte wie zum Beispiel zelluläres Überleben oder Chromosomenveränderungen ausgewertet wurden, ermöglichen die neuen Zellsysteme nun die Entschlüsselung der ersten Strahlenreaktionen und, neben anderem, die Untersuchung, wie Therapeutika die Effektivität der DNA-Reparatur modifizieren. Erkenntnisse aus solchen Experimenten könnten dann helfen, die Strahlentherapie zu verbessern.
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