DNAzyme: Wenn die Doppelhelix zum Messer wird...
Foto: Oliver Preston
Gegen allergisches Asthma inhaliert man Sprays, die die Bronchien erweitern oder die Entzündungsreaktion mit Glucocorticoiden bremsen. Erstere helfen im Akutfall, können aber zu Herzrasen und anderen systemischen Begleiterscheinungen führen. Auch Cortison & Co haben Nebenwirkungen, weil sie recht unselektiv ins Immunsystem eingreifen. Doch ein neuer Wirkstoff soll jetzt das Übel an der molekularbiologischen Wurzel packen. Und der besteht aus enzymatisch aktiver DNA.
Allergische Reaktionen gehen bei der Hälfte aller Asthma-Patienten mit einer Überaktivierung von Typ2-T-Helferzellen einher. Die produzieren dann jede Menge Zytokine, was sie insbesondere dem Transkriptionsfaktor GATA-3 verdanken. Könnte man also GATA-3 in den Bronchien herunterregulieren, dann sollte sich auch das allergische Asthma verringern.
Solch einen Wirkstoff namens SB010 hat das Marburger Team um Harald Renz in Kooperation mit Sterna Biologicals sowie Forschern aus Deutschland, Belgien und Schweden kürzlich an rund zwanzig Patienten getestet und doppelblind mit einer gleichgroßen Placebogruppe verglichen. Im New England Journal of Medicine verkündeten sie jetzt, dass dieser die asthmatischen Beschwerden nach Inhalation tatsächlich lindert (Vol. 372(21): 1987-95).
SB010 ist kein gewöhnlicher Wirkstoff, sondern ein 34 Basenpaare langes, einsträngiges DNA-Molekül, das die GATA-3-mRNA anhand komplementärer Basen erkennt, daran bindet und sie zerschneidet. Dadurch verhindert SB010 deren Translation und reguliert so den allergierelevanten Transkriptionsfaktor herunter.
Auf den ersten Blick erinnert das Prinzip an die RNA-Interferenz (RNAi), weil eine Nukleinsäure als Doppelstrang im Cytosol vorliegt und mRNA abgebaut wird. Doch die RNAi wirft einen Mechanismus an, bei dem letztlich zelleigene Enzyme die Transkripte abbauen. SB010 hingegen ist nicht auf diese Unterstützung angewiesen, sondern übernimmt den Abbau der Zielsequenzen selbst. Zwischen den beiden Bindedomänen, die zur GATA-3-mRNA passen, sitzt nämlich eine katalytische Domäne, die RNA zerschneidet.
SB010 wirkt also als Enzym. Während katalytisch aktive RNAs, sogenannte Ribozyme, jedoch auch biologische Funktionen erfüllen, hat man bislang noch keine natürlichen DNA-Pendants gefunden. Alle derzeit bekannten DNA-Enzyme oder DNAzyme sind künstlich hergestellt.
Die Kalifornier Ronald Breaker und Gerald Joyce waren die ersten, die 1994 ein solches DNAzym vorstellten (Chem Biol. 1(4): 223-9). Sie testeten eine Reihe zufällig erzeugter, einzelsträngiger DNA-Moleküle – und tatsächlich erkannte eines davon selektiv einen bestimmten Abschnitt auf einem modifizierten RNA-Molekül und spaltete es hydrolytisch. Der DNA-Strang selbst blieb dabei erhalten und konnte weiterhin Substrat umsetzen – wie es sich für ein ordentliches Enzym gehört.
Das Interesse an dem DNAzym von Breaker und Joyce ging bald über Medizin und Biologie hinaus. Die Aktivität des von Breaker und Joyce entwickelten Moleküls ist nämlich von einem zweifach positiv geladenen Blei-Ion abhängig, das in einer Schlaufe des DNA-Moleküls mit dem aktiven Zentrum bindet – woraus die US-Chemiker Yi Lu und Juewen Liu schließlich ein System zum Nachweis von gelöstem Blei entwickelten. Als Indikator dienten Goldatome, die bei Anregung der Elektronen entweder rotes oder grünes Licht abstrahlen. Lu und Liu versahen Goldpartikel mit DNA-Abschnitten, die komplementär zu den 5’- und 3’-Enden der Substratmoleküle waren.
Zusätzlich hatten die Substratmoleküle die charakteristischen Basenfolgen, die sie als Ziel für ein DNAzym kennzeichnen. Unter diesen Bedingungen assemblieren Goldpartikel, Substratmoleküle und DNAzym-Stränge und legen sich eng aneinander. Dabei ändert sich das Verhalten der Elektronen um die Goldatome, so dass die Partikel bei Lichtanregung blau strahlen. Gibt man jedoch Bleiionen in die Lösung, so wird das DNAzym aktiviert, zerschneidet die RNA und lockert damit die Klumpen. Das Verhalten der Goldelektronen ändert sich, und die Partikel erscheinen nun rot – ein Farbwechsel, der über die sogenannte Plasmon-Resonanz zustande kommt und mit dem sich kleinste Bleimengen nachweisen lassen.
Neben diesem Verfahren erwähnen Lu und Liu in einem Review-Artikel außerdem die Möglichkeit, mithilfe von DNAzymen Nanomaschinen zu konstruieren (Curr Opin Biotechnol.17(6): 580-8). Dazu nutzt man aus, dass der DNA-Strang sich bei Bindung des Substrats der Länge nach ausdehnt. Nach Spaltung des Substrats ziehen sich die DNAzyme entsprechend wieder zusammen, bis sie die nächste passende RNA binden. Damit üben sie letztlich mechanische Kräfte aus, die man auf andere Strukturen übertragen kann – und lassen sich als molekulare Motoren in eine Nanoapparatur integrieren. Ist die Aktivität der DNAzyme von einem bestimmten Metallion abhängig, kann man diese Motoren sogar steuern.
Anscheinend ist das katalytische Potential der DNAzyme jedoch begrenzt und kann nicht mit proteinbasierten Enzymen mithalten. Da sie ihr Substrat aber über Basenpaarungen erkennen, kann man ihre Spezifität genau definieren und ausgewählte mRNA-Transkripte als Ziel festlegen. Das macht sie wiederum für den therapeutischen Einsatz besonders interessant, zumal sie chemisch deutlich stabiler sind als RNAs. Daher werden DNAzyme in diversen Tiermodellen und jetzt auch am Menschen getestet. Ob sie als Wirkstoffe jedoch halten, was sie versprechen – das werden die nächsten Jahre zeigen.