Tema Nobelpriset 2015: Kemi

Det är inte en tillfällighet att DNA används för att lagra för genetisk information; DNA är betydligt stabilare än RNA. De mest populära teorierna om hur livets makromolekyler uppkom bygger på att RNA kom först, medan DNA tillkom senare som ett varaktigt lagringsmedium. Dock är DNA konstant utsatt för påverkan som leder till dess sönderfall. Många känner till att DNA skadas av många reaktiva kemikalier, både syntetiska och naturligt förekommande, liksom av elektromagnetisk strålning med tillräckligt hög energi (ultraviolett, röntgen- och gammastrålning). Själva replikationsprocessen bidrar också med en viss felfrekvens. Men även utan påtagliga yttre faktorer uppstår skador spontant i DNA. Detta sker snabbare i vattenlösning, i högre temperatur och i närvaro av syre, men även då fritt DNA befinner sig i en torr, kall miljö och skyddat för luftens syre sker sönderfall i en viss takt.

Upprinnelsen till de upptäckter som ledde fram till 2015 års nobelpris i kemi var insikten att detta sönderfallstempo var så högt att det skulle omöjliggöra att DNA bevarades intakt ens under en individs livslängd, om den inte motverkades av något. En aktiv process i cellerna var nödvändig för att förklara den observerade stabiliteten hos levande organismer: DNA-reparation. DNA-reparationssystemen är evolutionärt konserverade och har miljarder år på nacken. De ser likadana ut i bakterier, djur och växter. Två utmaningar de ställts inför var när livet utsattes för ultraviolett ljus vid planetytan, och när atmosfären övergick till att bli oxiderande då syre började bildas i stor skala från fotosyntesen.

Paul Modrich utforskade reparation av missparade baser – då de baser som sitter mitt emot varandra i DNA inte är i enlighet med ”Watson-Crick-regeln”: adenin emot tymin, och cytosin mot guanin. Sådana fel uppkommer oftast ur misstag vid DNA-replikationen. För att korrigera detta, och ersätta den felaktigt insatta basen med den rätta, är det nödvändigt att känna skillnad på den nybildade DNA-strängen (där den felaktiga basen sitter) och den gamla strängen. Paul Modrich upptäckte att det som känns igen är de kemiska skillnader som finns mellan strängarna direkt efter replikationen – enkelsträngsbrott och stycken av RNA i den nya strängen. DNA-replikation är den i särklass mest exakta processen inom biologin (felfrekvens < 10^-9), varav reparation av missparade baser bidrar med minst två tiopotenser.

Aziz Sancar karakteriserade nukleotidexcision, en reparationsmekanism som bl.a. är första försvarslinjen för att eliminera skador som orsakas av ultraviolett ljus från solen. Här skärs ett stycke DNA från den skadade strängen bort, och cellen syntetiserar nytt DNA för att fylla luckan. Nukleotidexcision används även för många andra skadetyper. Ärftliga defekter i nukleotidexcision hos människa ger överkänslighet för solljus och en ökad risk för cancer, särskilt hudcancer.

Tomas Lindahl upptäckte basexcision. Det är en mekanism som använder enzymerna DNA-glykosylaser, som endast tar bort själva den skadade basen ur DNA. Det första exemplet var hur cellen reparerar en mycket frekvent defekt som uppstår spontant – omvandling av cytosin till uracil. Uracil finns i RNA men skall inte finnas i DNA. Ett DNA-glykosylas specialiserat på uracil eliminerar det från DNA – en operation som den behöver utföra c:a 100 gånger om dagen i var och en i våra celler (eller 10¹⁵ gånger per dag i hela kroppen). DNA-skador från syre uppkommer särskilt ofta i mitokondrierna, där syrgas används den cellandning som ger oss vår energi. I mitokondrierna finns därför DNA-glykosylaser med uppgift att reparera sådana skador.

En förenklad sammanfattning är att Modrichs upptäckt av reparation av missparade baser förklarar hur cellen tar hand om de fel som uppstår i samband med replikationen; Sancars karakterisering av nukleotidexcision klarlägger hur vi hanterar de DNA-skador som orsakas av ultraviolett ljus från solen, medan basexcision, Lindahls fynd, är vår viktigaste mekanism för att klara hotet mot DNA från luftens syre.

Det finns också andra reparationsmekanismer än dessa tre för att laga DNA-skador. Den potentiellt farligaste av alla skadetyper är dubbelsträngsbrott, då brott uppstår på båda DNA-strängarna inom ett kort avstånd. Detta sker framför allt som ett resultat av joniserande strålning (röntgen- och gammastrålning). Då klarar inte basparningen i DNA av att hålla ihop molekylen, utan den kan gå i två delar – man har fått ett kromosombrott. Detta är högsta prioritet att förhindra, och cellen har flera mekanismer att laga dubbelsträngsbrott i DNA.

Tomas Lindahl var en verklig pionjär inom DNA-reparation. I början av 80-talet tillbringade jag en period med experimentellt arbete i hans lab, medan jag fortfarande höll på med mina grundstudier. Det schemat gav mig endast utrymme för att besöka labbet på kvällar och helger. Ändå befann jag sällan ensam där, eftersom det fanns gott om besökande forskare från olika länder, som alla arbetade intensivt. I efterhand förstod jag att inte alla forskningsmiljöer var lika livaktiga. Ett decennium senare publicerade Tomas Lindahl, som auktoritet på DNA-stabilitet, en sammanfattning om möjligheterna att återfinna DNA från arkeologiska fynd från olika tidsrymder. Detta blev viktigt som stöd för en annan svensk i exil, Svante Pääbo, för hans jakt på neanderthalarnas DNA.

Förutom att göra det möjligt för oss att över huvud taget överleva, är DNA-reparation viktigt i samband med cancer och dess behandling. Som nämnts ger defekter i DNA-reparation förhöjd cancerrisk. Men när man behandlar cancer med strålning eller ”cellgifter” (DNA-skadande ämnen som ger mutationer), beror utgången på tumörcellernas förmåga till DNA-reparation; denna är ofta förändrad på grund av mutationer. Man kan försöka förbättra resultatet genom att inhibera tumörcellernas DNA-reparationsenzymer, vilket ger större chanser att göra slut på tumören. Även om detta nobelpris går till ren grundforskning har den funnit tillämpningar.

 

Per Sunnerhagen, professor, institutionen för kemi och molekylärbiologi, Göteborgs universitet