Wie Umweltfaktoren unser Erbgut schädigen

Zwillingsstudie entschlüsselt molekulare Fingerabdrücke

15.05.2014 - Deutschland

Unsere genetische Ausstattung beeinflusst nicht nur unsere Körpergröße, Augenfarbe, Persönlichkeit oder Lebenserwartung, sondern auch die Wahrscheinlichkeit, Gefäßkrankheiten, Krebs oder psychische Krankheiten zu bekommen. Aber auch Umweltfaktoren, wie zum Beispiel UV-Strahlung, Umweltgifte und Stress können Schäden hervorrufen. Wissenschaftler des Institutes für DNA-Reparatur und Altern an der Universität Aarhus in Dänemark und des Lehrstuhls für Molekulare Toxikologie an der Universität Konstanz haben die genetischen Einflüsse auf die Reparatur des Erbgutes bei 198 Zwillingspaaren - davon 94 eineiige und 104 zweieiige, im Alter zwischen 40 und 77 Jahren – untersucht.

„Die „Unversehrtheit“ unseres Erbgutes, der DNA, ist eine wesentliche Voraussetzung zur Verhinderung von Krebs, von vorzeitigen Alterungsprozessen sowie von neuronalen degenerativen Erkrankungen. Die DNA wird jedoch durch Umweltfaktoren, wie beispielsweise UV-Strahlung, bestimmte Chemikalien oder Arzneimittel aber auch durch normale Stoffwechselprozesse, permanent geschädigt, bestätigt Dr. María Moreno-Villanueva, Wissenschaftlerin am Lehrstuhl "Molekulare Toxikologie" der Universität Konstanz. „Dies klingt dramatisch, jedoch besitzen unsere Zellen Reparatur Mechanismen - wenn es diese nicht gäbe, gäbe es uns auch nicht.“

Ist der Organismus starken Umweltfaktoren ausgesetzt, so kann es zu strukturellen Änderungen in der DNA wie zum Beispiel zu Strangbrüchen kommen. Zelleigene Reparaturmechanismen reparieren die entstandenen Schäden. Ist der Schaden an der DNA zu groß, beginnt die Zelle ihr Selbstzerstörungsprogramm (Apoptose). Aber selbst die Reparatur ist nicht immer fehlerfrei. Ist die Reparaturkapazität der Zelle überlastet, können sich u.a. dadurch Mutationen anhäufen und schließlich zu Krankheiten wie Krebs führen.

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Herzstück der Zwillingsstudie: der FADU-Assay

Die genotoxische Wirkung von Umwelteinflüssen auf Organismen oder Zellkulturen kann mit verschiedenen Testsystemen überprüft werden. Ein Beispiel dafür ist der FADU-Assay (Fluorimetric Detection of Alkaline DNA Unwinding). Mit dem automatisierten FADU-Assay können DNA-Strangbrüche und ihre Reparatur schnell und reproduzierbar nachgewiesen werden.

Eine technische Plattform für die Durchführung des FADU ist der TOXXs Analyzer der CETICS Healthcare Technologies GmbH. Dabei handelt es sich um ein Assay-angepasstes Pipettierrobotersystem. Der TOXXs Analyzer bestimmt die DNA-Schädigungseffekte bzw. DNA-Strangbrüche von Strahlung und genotoxischen Stoffen in Säugetierzellen und erlaubt es zusätzlich, die Reparaturkapazität der Zellen zu beurteilen.

Zwillingsstudien sind nach Auffassung von Wissenschaftlern eine geeignete Methode, um das Unterschiede zwischen angeborenen Veranlagungen und Umwelteinflüssen zu untersuchen. Die Kombination von Zwillingsstudien mit modernen molekulargenetischen Methoden liefert wertvolle Informationen über die genetischen Grundlagen und über äußere Einflüsse auf die Ausbildung von Krankheiten.

Doch weshalb vergleicht man eineiige und zweieiige Zwillinge? Eineiige Zwillinge besitzen bis auf einige wenige Ausnahmen ein identisches Erbgut. Zweieiige Zwillinge stimmen dagegen – wie andere Geschwister auch – nur in der Hälfte ihres Erbguts überein, da sich bei beiden Geschwistern das Erbmaterial von Vater und Mutter völlig neu gemischt hat.

Dazu Dr. María Moreno-Villanueva: „Durch den Vergleich von eineiigen und zweieiigen Zwillingen kann man bei der Entstehung von Krankheiten überprüfen, welchen Anteil auf genetische Faktoren und welchen Anteil auf Umweltfaktoren zurückzuführen ist. Der Vorteil bei Untersuchungen an Zwillingen: Zwillinge sind gleich alt, wachsen in der Regel in der gleichen Umgebung auf und sind also sehr ähnlichen Umweltfaktoren ausgesetzt.“

Ablauf und Ergebnisse der Zwillingsstudie

Die Erfassung der DNA-Reparatur mittels Automatisierte FADU Methode fand an der Universität in Konstanz statt und dauerte rund zwei Wochen. Die Blutzellen von denen an der Studie teilnehmende Probanden wurden kodiert und nach Konstanz geschickt. Dr. María Moreno-Villanueva war für die Koordination und Überwachung der Messungen zuständig. Die Wissenschaftlerin bestätigt: „Die Messung von DNA-Strangbrüchen und ihrer Reparaturmechanismen ist von zentraler Bedeutung bei der Klassifizierung von genotoxischen Umwelteinflüssen.“ Und weiter: “Die Methode wurde von uns an der Universität Konstanz weiterentwickelt und automatisiert. Unsere Studie hat die Zuverlässigkeit und die internationale Anerkennung der FADU-Methode bestätigt.“ Weitere technische Entwicklungen bietet der CETICS TOXXs Analyzer, der zurzeit in mehreren Forschungsprojekten eingesetzt wird.

Die Studie hat gezeigt, dass bei der individuellen Reparatur der DNA-Strangbrüche nicht die genetische Disposition, sondern eher äußere Umwelteinflüsse wie Ernährung, persönliche Fitness, berufliche Disposition oder andauernder Stress eine bedeutende Rolle spielen. „Wenn wir davon ausgehen, dass eine schlechte DNA-Reparatur zu einem erhöhten Krebsrisiko führt, dann hat der Zwillingsbruder oder die Zwillingsschwester die gleiche Chance, Krebs zu entwickeln, wenn er/sie den gleichen Lebensstil hat“, so Dr. Moreno-Villanueva. „Für uns sind die Ergebnisse einer solchen Studie immer nur ein Hinweis auf bestimmte Zusammenhänge, aber noch kein endgültiger Beweis. Dieser muss nun im Rahmen einer großen klinischen Studie erbracht werden, bei der andere Faktoren berücksichtigt werden müssen - so zum Beispiel die die genauer Umweltbedingungen und der Lebensstil der Probanden, sowie die verschiedenen Arten von DNA-Schäden und ihre Reparaturmechanismen.“