UV-Strahlung (100-400 nm) kann in das kurzwellige (starke) UVC, das UVB im mittleren Bereich und das langwellige (weiche) UVA unterteilt werden. Während UVC nahezu vollständig von der Ozonschicht absorbiert wird, gelangen UVA (90%) und UVB (10%) auf die Erde und unsere Haut. UVA dringt tief in die Haut ein, UVB nur bis in die oberen Hautschichten. Durch seine Energie ist UVB aber in der Lage, die Doppelstränge der DNA aufzubrechen und die Haut nachhaltig zu schädigen. Da UVA sehr viel energieärmer ist, wurde bisher angenommen, dass die erbgutschädigende Wirkung von UVA nicht durch Doppelstrangbrüche induziert werden kann. Mit Kollegen der TU Darmstadt (Dr. Alexander Rapp) und des Dermatologischen Zentrums Buxtehude (Dr. Rüdiger Greinert) konnten Forscher des Leibniz-Instituts für Altersforschung - Fritz-Lipmann-Institut (FLI) in Jena das nun widerlegen und den zugrunde liegenden Mechanismus aufklären.
„Jede Zelle in unserem Körper erleidet pro Tag ca. 60.000 DNA-Schäden, doch unser Körper verfügt über ein geniales Reparatursystem, das mit extrem hoher Genauigkeit solche Schäden reparieren kann“, berichtet Prof. Karl-Otto Greulich vom Leibniz-Institut für Altersforschung. „Doch ab und zu passieren Fehler“, räumt der Biophysiker gleichzeitig ein. „Treten diese Fehler nur in einem DNA-Strang auf, dann dient der komplementär dazu aufgebaute, zweite Strang der Doppelhelix als Reparaturvorlage und der Schaden kann problemlos repariert werden; treten jedoch in beiden Strängen Fehler auf, dann bricht die DNA auseinander und die Reparatur wird sehr viel schwieriger und damit auch fehlerhafter“. „Diese schweren Fehler können dann zu Alterungserscheinungen und Krebserkrankungen führen“, so Prof. Greulich weiter.
„Dass UV-Strahlung solche DNA-Schäden verursacht und die Bestrahlung mit UVB zu Doppelstrangbrüchen in der DNA führt, ist gesichert“, berichtet Dr. Alexander Rapp, der seine Doktorarbeit in der Gruppe von Prof. Greulich angefertigt hat und jetzt an der TU Darmstadt tätig ist. „Dass wir aber nach UVA-Bestrahlung ebenfalls Doppelstrangbrüche in den Zellen nachweisen konnten, hat uns schon überrascht“, so Rapp weiter, „denn aufgrund der niedrigeren Energie sollte UVA dazu gar nicht in der Lage sein“. Wie aber entstehen solche Doppelstrangbrüche?
Man weiß, dass UVA oxidative Schäden innerhalb der DNA verursacht. Um zu klären, ob die radikalen Sauerstoffspezies (ROS) für die Bildung der Doppelstrangbrüche verantwortlich sind, behandelten die Jenaer ihre zu untersuchenden Zelllinien mit Naringin, einem Bioflavonoid-Derivat aus Zitrus-Arten. Diese Substanz verhindert oxidative Schäden und fungiert als Radikalfänger (Antioxidantie). „Im Vergleich zu unbehandelten Zellen reduzierte die Naringin-Vorbehandlung deutlich die Menge an beschädigter DNA und ist somit ein Indiz dafür, dass freie Sauerstoffradikale für das Schadensbild essentiell sind“, berichtet Prof. Greulich. „Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass UVA bei physiologisch relevanten Dosen, diese Läsionen induziert und die Menge an gebildeten ROS in Abhängigkeit von der Strahlendosis konstant bleibt.“ Zur Messung der ROS-Produktion wurden Strahlungsstärken von 50 bis 200 W/m2 verwendet; die natürliche UVA-Strahlung der Sonne für Mitteldeutschland beträgt um die Mittagszeit im Juni etwa 50 W/m2.
Durch Variation des Comet-Assays, einem Verfahren zur Detektion von Einzel- und Doppelstrangbrüchen in Zellen, gelang es den Forschern einen Mechanismus abzuleiten, wie UVA-Strahlung zur Bildung von Doppelstrangbrüchen beiträgt. „Diese Brüche resultieren indirekt aus der Reparatur von oxidativen Schäden, d.h. sie entstehen dann, wenn beide Einzelstränge eine Bruchstelle aufweisen und sich die Bruchstellen in räumlicher Nähe zueinander befinden“, informieren die Forscher.
Diese Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nucleic Acids Research veröffentlicht. „Da UVA nicht nur die Hauptkomponente des Sonnenlichts, sondern auch künstlicher UV-Quellen, wie z.B. in Solarien, ist, liefert die Studie wichtige Fakten für die Hautkrebs-Ätiologie und die Risikobewertung von UV-Strahlung“, betont Dr. Rüdiger Greinert vom Dermatologischen Zentrum in Buxtehude.
Eine kleine Entwarnung gibt es jedoch. Frühere Untersuchungen der Arbeitsgruppe Greulich haben gezeigt, dass eine Vorbehandlung mit Infrarotstrahlung (Rotlicht) die DNA-Reparaturmaschinerie im Körper soweit stärkt, dass die Mehrzahl der Doppelstrangbrüche fehlerfrei repariert werden kann. Und da beim Sonnenlicht auch immer automatisch rotes Licht mitgeliefert wird, ist ein natürliches Sonnenbad nicht ganz so gefährlich, wie es auf den ersten Blick erscheinen mag, ein Gang ins Solarium aber deutlich riskanter.
Publikation
Greinert R, Volkmer B, Henning S, Breitbart EW, Greulich KO, Cardoso MC, Rapp A. UVA-induced DNA double-strand breaks result from the repair of clustered oxidative DNA damages. Nucleic Acids Res. 2012 Aug 30. doi: 10.1093/nar/gks824.
Kontakt
Dr. Kerstin Wagner
Leibniz-Institut für Altersforschung – Fritz-Lipmann-Institut (FLI)
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