HT 4

Das Werner-Syndrom

Das Werner-Syndrom ist eine genetisch bedingte Erkrankung. Ihre molekularbiologischen Ursachen werden untersucht. Die Betroffenen des Werner-Syndroms leiden unter vorzeitigen Alterungsprozessen.

Beschreibe den molekularen Ablauf der DNA-Replikation unter Mitverwendung von Abbildung 1 (M 1).

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Gib für die in M 2 dargestellten DNA-Sequenzen die mRNA- und die Aminosäuresequenzen sowie den Typ der Genmutation an (M 2 und M 4).

Erkläre den Funktionsverlust des Werner-Proteins bei Betroffenen (M 2).

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Erläutere ausgehend von M 3 die Entstehung vorzeitiger Alterungsprozesse bei Betroffenen des Werner-Syndroms (M 3).

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Stelle eine Hypothese zur Funktion des Werner-Proteins bei der DNA-Replikation auf (M 2 und M 3).

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M 1 DNA-Replikation

Zellteilungen sind nicht nur während der Entwicklung, sondern zeitlebens wichtig, beispielsweise für die Erneuerung bestimmter Gewebe, wie z. B. von Schleimhäuten, Blut oder bei Wundheilungsprozessen. Vor einer Zellteilung findet die Replikation der DNA statt (Abb. 1).

Schematische Darstellung einer DNA-Replikation mit Replikationsgabel und Enzymen.

Abbildung 1 Schematische Darstellung eines DNA-Abschnittes während der Replikation

M 2 Das Werner-Syndrom und seine genetischen Grundlagen

Das Werner-Syndrom ist eine sehr seltene Erkrankung. Etwa in der Lebensmitte setzt bei Betroffenen ein verfrühter Alterungsprozess ein. Die meisten Patienten versterben vor dem 50. Lebensjahr. Ursache des Werner-Syndroms ist ein Funktionsverlust des sogenannten Werner-Proteins (WRNp).

Das WRN-Gen, welches das WRNp codiert, ist bei Personen mit Werner-Syndrom verändert. In Tabelle 1 sind Ausschnitte aus dem nicht-codogenen Strang des WRN-Gens dargestellt. Der nicht-codogene Strang ist der Strang, der nicht transkribiert wird.

Tabelle 1 Sequenzausschnitt aus dem WRN-Gen einer vom Werner-Syndrom betroffenen Person im Vergleich zum Normal-Allel. Es ist der nicht-codogene DNA-Strang dargestellt.

		Triplett-Nummer
	5'...	120	121	122	123	124	125	126	...3ʹ
Normal-Allel		TTT	CCC	CAG	GGA	TTA	AAA	ATG
mutiertes Allel		TTT	CCC	CAG	GGA	TTA	AAC	ATG

M 3 Replikation der Telomere bei Betroffenen des Werner-Syndroms

Telomere sind DNA-Strukturen, die sich an den Enden eukaryotischer Chromosomen befinden und diese stabilisieren und schützen. Die Telomere enthalten keine genetische Information, jedoch ist ihre Länge wichtig für das Überleben der Zelle. Werden die Telomere zu kurz, löst dies eine intrazelluläre Signalkaskade aus, in deren Folge die Zelle abstirbt. Betroffene Zellen und damit Gewebe können sich nicht mehr regenerieren.

Die Telomere enthalten kurze Basensequenzen, die sich vielfach wiederholen, beim Menschen zum Beispiel TTAGGG. Guaninreiche Abschnitte der Telomere bilden an Einzelsträngen häufig Quadruplex-Strukturen aus. Dies sind besondere Schleifenbildungen im Einzelstrang. Darin kommen sich jeweils vier Guaninbasen so nahe, dass sie untereinander Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden, die diese Schleifen stabilisieren. Bei der störungsfreien Replikation der Telomere spielt das Werner-Protein eine zentrale Rolle. Der Ablauf der Replikation der Telomere bei Betroffenen des Werner-Syndroms ist modellhaft in Abbildung 2 dargestellt.

Schema der Telomer-Region mit DNA-Strukturen und Quadruplex-Bildung

Abbildung 2 Modell des Ablaufs der Replikation der Chromosomenenden bei Betroffenen des Werner-Syndroms (A–C). Im Bereich der Quadruplex-Struktur wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle Basen dargestellt.

··· Fortsetzung des DNA-Strangs

M 4 Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Codonrad mit Aminosäurenübersicht und Start- sowie Stopp-Codon-Markierung.

Codon-Tabelle des genetischen Codes mit Basen U, C, A und G.

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Molekularer Ablauf der DNA-Replikation

Das Enzym Helikase entwindet die doppelsträngige $Formula: \ce{DNA}$ $Formula: \ce{DNA}$ und spaltet die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basenpaaren, wodurch die Replikationsgabel geöffnet wird.
Einzelstrangbindende Proteine lagern sich an die freigelegten Einzelstränge an, um deren erneute Zusammenlagerung (Renaturierung) zu verhindern.
Das Enzym Primase synthetisiert an den Matrizensträngen kurze $Formula: \ce{RNA}$ $Formula: \ce{RNA}$ -Startsequenzen (Primer), die eine freie $Formula: \ce{3'-OH}$ $Formula: \ce{3'-OH}$ -Gruppe für den Ansatz der $Formula: \ce{DNA}$ $Formula: \ce{DNA}$ -Polymerase bereitstellen.
Die $Formula: \ce{DNA}$ $Formula: \ce{DNA}$ -Polymerase knüpft freie Desoxyribonukleotide komplementär an die Matrizenstränge an und katalysiert deren Verknüpfung ausschließlich in $Formula: \ce{5' \to 3'}$ $Formula: \ce{5' \to 3'}$ -Richtung.
Am Leitstrang verläuft die Synthese kontinuierlich in Bewegungsrichtung der fortschreitenden Replikationsgabel.
Am Folgestrang erfolgt die Synthese diskontinuierlich entgegen der Bewegungsrichtung der Replikationsgabel, da die $Formula: \ce{DNA}$ $Formula: \ce{DNA}$ -Polymerase nur von $Formula: \ce{5'}$ $Formula: \ce{5'}$ nach $Formula: \ce{3'}$ $Formula: \ce{3'}$ synthetisieren kann.
Durch das stetige Weiteröffnen der Replikationsgabel muss am Folgestrang fortlaufend neu angesetzt werden, wodurch kurze $Formula: \ce{DNA}$ $Formula: \ce{DNA}$ -Abschnitte (Okazaki-Fragmente) entstehen, die jeweils von einem eigenen $Formula: \ce{RNA}$ $Formula: \ce{RNA}$ -Primer gestartet werden.
Die $Formula: \ce{RNA}$ $Formula: \ce{RNA}$ -Primer werden enzymatisch abgebaut und durch komplementäre $Formula: \ce{DNA}$ $Formula: \ce{DNA}$ -Nukleotide ersetzt.
Das Enzym $Formula: \ce{DNA}$ $Formula: \ce{DNA}$ -Ligase verknüpft die Okazaki-Fragmente am Folgestrang kovalent durch Ausbildung von Phosphodiesterbindungen im Zucker-Phosphat-Rückgrat zu einem durchgehenden $Formula: \ce{DNA}$ $Formula: \ce{DNA}$ -Strang.

Ermittlung der mRNA- und Aminosäuresequenzen sowie des Mutationstyps

Normal-Allel (nicht-codogener Strang, 5' $Formula: \to$ $Formula: \to$ 3'): TTT CCC CAG GGA TTA AAA ATG
Transkription des codogenen Strangs führt zu einer zur nicht-codogenen Sequenz identischen mRNA (unter Austausch von Thymin durch Uracil) in 5' $Formula: \to$ $Formula: \to$ 3'-Richtung:
mRNA-Sequenz Normal-Allel (5' $Formula: \to$ $Formula: \to$ 3'): UUU CCC CAG GGA UUA AAA AUG
Translation mittels Codesonne (5' $Formula: \to$ $Formula: \to$ 3'):
- UUU: Phe (Phenylalanin)
- CCC: Pro (Prolin)
- CAG: Gln (Glutamin)
- GGA: Gly (Glycin)
- UUA: Leu (Leucin)
- AAA: Lys (Lysin)
- AUG: Met (Methionin)
Aminosäuresequenz Normal-Allel: Phe - Pro - Gln - Gly - Leu - Lys - Met
Mutiertes Allel (nicht-codogener Strang, 5' $Formula: \to$ $Formula: \to$ 3'): TTT CCC CAG GGA TTA AAC ATG
mRNA-Sequenz mutiertes Allel (5' $Formula: \to$ $Formula: \to$ 3'): UUU CCC CAG GGA UUA AAC AUG
Translation mittels Codesonne (5' $Formula: \to$ $Formula: \to$ 3'):
- UUU: Phe (Phenylalanin)
- CCC: Pro (Prolin)
- CAG: Gln (Glutamin)
- GGA: Gly (Glycin)
- UUA: Leu (Leucin)
- AAC: Asn (Asparagin)
- AUG: Met (Methionin)
Aminosäuresequenz mutiertes Allel: Phe - Pro - Gln - Gly - Leu - Asn - Met
Typ der Genmutation: Es handelt sich um eine Punktmutation durch Substitution (Base Adenin wurde in Triplett 125 durch Cytosin ersetzt), genauer um eine Fehlsinn-Mutation (Missense-Mutation), da im synthetisierten Protein eine Aminosäure ausgetauscht wird (Lysin durch Asparagin).

Erklärung des Funktionsverlusts des Werner-Proteins

Der Austausch der positiv geladenen Aminosäure Lysin durch die ungeladene, polare Aminosäure Asparagin an Position 125 verändert die lokale Ladungsverteilung des Polypeptids.
Diese primäre Sequenzänderung beeinträchtigt die Ausbildung von elektrostattischen Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen sowie die räumliche Faltung der Tertiärstruktur des Proteins.
Die Konformationsänderung im aktiven Zentrum oder in einer funktionellen Domäne des Werner-Proteins führt zu einem teilweisen oder vollständigen Verlust der enzymatischen Aktivität (z. B. der Helikase- oder Nukleasefunktion).
Dadurch ist das mutierte Werner-Protein nicht mehr in der Lage, seine spezifischen Substrate im Zellkern zu binden oder umzusetzen.

Entstehung vorzeitiger Alterungsprozesse bei Betroffenen des Werner-Syndroms

Telomere befinden sich als schützende Endstrukturen an den eukaryotischen Chromosomen, tragen keine genetische Information und sind für die Stabilität der Chromosomen unerlässlich.
Bei jeder Replication kommt es im Bereich der Telomere aufgrund guaninspezifischer Einzelstränge zur Ausbildung stabiler Schleifenstrukturen (Quadruplex-Strukturen), die durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen je vier Guaninbasen stabilisiert werden.
Das intakte Werner-Protein erfüllt bei der Replikation die zentrale Funktion, diese Quadruplex-Strukturen im Matrizenstrang aufzulösen, damit die $Formula: \ce{DNA}$ $Formula: \ce{DNA}$ -Polymerase den Strang vollständig ablesen und replizieren kann.
Bei Betroffenen des Werner-Syndroms ist das Werner-Protein aufgrund der Genmutation inaktiv, wodurch die Quadruplex-Strukturen während der Replikation bestehen bleiben.
Die Ankunft der Replikationsgabel an der ungelösten Quadruplex-Struktur führt zum Abbrechen der Synthese des Komplementärstrangs.
Als Folge der abgebrochenen Replikation kommt es bei jeder Zellteilung zu einer beschleunigten und übermäßigen Verkürzung der Telomere.
Unterschreiten die Telomere eine kritische Mindestlänge, wird eine intrazelluläre Signalkaskade aktiviert, die den programmierten Zelltod (Apoptose) auslöst.
Durch das vorzeitige Absterben der Zellen verliert das Gewebe seine Regenerationsfähigkeit, da sich geschädigte oder gealterte Zellen nicht mehr durch Zellteilungen erneuern können.
Der Ausfall der Geweberegeneration (z. B. bei Haut, Schleimhäuten oder Blut) führt im gesamten Organismus zum frühzeitigen Manifestieren klinischer Alterungssymptome und schließlich zum frühen Tod der Patienten.

Hypothese zur Funktion des Werner-Proteins

Das Werner-Protein agiert während der $Formula: \ce{DNA}$ $Formula: \ce{DNA}$ -Replikation als eine spezialisierte Helikase beziehungsweise als Enzym zur Auflösung von komplexen Sekundärstrukturen der $Formula: \ce{DNA}$ $Formula: \ce{DNA}$ .
Seine konkrete Funktion besteht im gezielten Erkennen und Entwinden der stabilen G-Quadruplex-Strukturen (Schleifenbildungen) in den guaninreichen Einzelsträngen der Telomere unter Trennung der stabilisierenden Wasserstoffbrückenbindungen.
Dadurch glättet das Werner-Protein den Matrizenstrang im Bereich der Telomere und verhindert ein Arretieren oder Abbrechen der $Formula: \ce{DNA}$ $Formula: \ce{DNA}$ -Polymerase, um eine vollständige und störungsfreie Replikation der Chromosomenenden zu gewährleisten.

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