Forschende bei DESY haben gemeinsam mit internationalen Kolleg:innen eine neue Klasse von Enzymen entdeckt, mit deren Hilfe sich bisher unbekannte biologische Prozesse aufdecken lassen. Die Forschenden vermuten, dass diese bakteriellen „diDNasen“ – so der Fachbegriff – in der Immunabwehr der Bakterien eine wichtige Rolle spielen könnten. Die Ergebnisse veröffentlichte das Team kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift „Nucleic Acids Research“, die Veröffentlichung wurde als „Breakthrough Article“ ausgezeichnet.

Sowohl die Synthese als auch der Abbau großer Moleküle durch Enzyme sind entscheidend für das Wachstum und Überleben aller Lebensformen. Ein Team um Holger Sondermann vom Centre for Structural Systems Biology (CSSB) bei DESY hat nun in Bakterien eine neue Enzymklasse entdeckt und wichtige Erkenntnisse über die biochemischen und strukturellen Mechanismen dieser diDnasen veröffentlicht. Bioinformatische Untersuchungen legen zudem nahe, dass diese Enzyme in der Immunabwehr der Bakterien gegen feindliche Viren eine wichtige Rolle spielen könnten. 

Was diDNasen von anderen Enzymen unterscheidet, ist ihre hochspezifische Arbeitsweise. DiDNasen sind spezialisierte molekulare Scheren und zerschneiden ausschließlich kleine DNA-Stücke und ignorieren RNA, ein Molekül, das DNA strukturell sehr ähnlich ist. Diese Spezifität beruht auf der einzigartigen Architektur des aktiven Zentrums der Enzyme. „Während RNA-Dinukleotide als Signalmoleküle in vielen biologischen Systemen gut bekannt sind, positioniert diese Studie DNA-Dinukleotide als bisher unerkannte Akteure in zellulären Prozessen“, erklärt Sofia Mortensen, Postdoc-Wissenschaftlerin in Sondermanns Gruppe und Hauptautorin der Studie.

Die detaillierte Analyse gelang den Forschenden bei DESY an der Beamline P11, die für die Untersuchung biomolekularer Strukturen konzipiert ist: die Röntgenkristallographie. Dafür werden Kristalle des zu untersuchenden Proteins gezüchtet und dann mit Röntgenstrahlung untersucht. Die meisten Enzyme gehören zur Stoffgruppe der Proteine. „Um die molekulare Basis der Enzymspezifität aufzudecken, brauchten wir hochauflösende Kristallstrukturen“, sagt Sondermann, Letztautor der Studie und leitender Wissenschaftler bei DESY. „Unsere Entdeckung eröffnet eine ganz neue Ebene der bakteriellen Biochemie und impliziert eine biologische Rolle von DNA-Dinukleotiden in zellulären Funktionen.“

Die Entdeckung der diDNasen liefert neue Einblicke in die Vielfalt und Anpassungsfähigkeit bakterieller Systeme. „Wir haben entdeckt, dass die Gene, die für diese diDNasen kodieren, überwiegend in mobilen genetischen Elementen zu finden sind, also in genetischem Material, das sich bewegen und von Organismus zu Organismus übertragen werden kann“, sagt Sondermann. „Die spezifische Lage der diDNase-Gene deutet darauf hin, dass diese Enzyme eine Rolle bei der bakteriellen Immunität spielen und möglicherweise Zellen vor eindringenden Viren schützen, indem sie auf spezifische DNA-Stücke abzielen.“

Das Forschungsteam plant bereits weitere Untersuchungen, um die Rolle der neu entdeckten Enzymklasse noch besser zu verstehen. 

 

Weitere Informationen:
Die Studie basiert auf einer Zusammenarbeit mit den Gruppen von Vincent T. Lee und Wade C. Winkler an der Universität von Maryland, USA. Die Forschung wurde durch Zuschüsse der U.S. National Institutes of Health und des Horizon 2020 Programms der Europäischen Union unterstützt. Die Fachzeitschrift „Nucleic Acids Research“ (NAR), die von der Oxford University Press herausgegeben wird, hat diese Arbeit wegen ihres außergewöhnlichen Beitrags zu den Bereichen Biologie und Biochemie als bahnbrechenden Artikel ausgewählt. „Breakthrough Articles“ stehen für hochkarätige Forschung, die sich mit seit langem bestehenden Herausforderungen befasst oder bahnbrechende Erkenntnisse liefert, die den Weg für zukünftige Entdeckungen ebnen.

Original-Publikation
Mortensen S, Kuncová S, Lormand JD, Myers TM, Kim S-K, Lee VT, Winkler WC, Sondermann H, Structural and bioinformatics analyses identify deoxydinucleotide-specific nucleases and their association with genomic islands in gram-positive bacteria, Nucleic Acids Research, Volume 53, Issue 1, 13 January 2025, gkae1235, https://doi.org/10.1093/nar/gkae1235