DNA-Reparatur: Ablauf & Formen der Beschädigung

DNA-Reparatur
Die Zellen aller Organismen besitzen normalerweise einen umfangreichen DNA-Reparaturmechanismus. Man könnte also Mutationen auch als Effekt mangelhafter DNA-Reparatur auffassen.

Die Mechanismen der DNA-Reparatur sind inzwischen ganz gut erforscht. Man fand sie u.a. bei Bakterien, Pilzen, Fischen, Amphibien, Säugetieren und dem Menschen.

Sie dienen der Vermeidung des Zelltods, von Mutationen, Replikationsfehlern, dauerhaften DNA-Schäden und Genom-Instabilitäten. Fehler in diesen Prozessen führen zu Krebs und Alterung.

Die Bedeutung der DNA-Reparatur kann man an der Tatsache ablesen, daß die DNA das einzige Molekül ist, das spezifisch repariert wird, alle anderen werden ausgetauscht. Mehr als 100 Gene sind daran beteiligt, sogar bei Organismen mit kleinen Genomen.

Formen der DNA-Beschädigung:

Basenverlust

Die Glykosyl-Bindung am 1´-Ende der Pentose zur Base ist relativ labil. Deshalb verlieren Zellen pro Tag und haploidem Genom mehrere Hundert bis Tausend Basen.

Desaminierung

Die primäre Aminogruppe der Basen ist ebenfalls instabil. Die Base kann leicht in ihre Ketoform überführt werden.

Aus Cytosin enstehen so pro Tag und haploidem Genom ca. 100 Uracile. So wird aus Adenin —-> Hypoxanthin, Guanin —-> Xanthin, und 5-Methyl-Cytosin zu Thymin. Chemikalien wie HNO2 beschleunigen die Desaminierung.


Cu1 - DNA-Reparatur: Ablauf & Formen der Beschädigung
Chemische Modifikation (Oxidation, Alkylierung)

Die Basen der Nukleinsäuren sind gegen eine Reihe von Chemikalien empfindlich. Z. B. Sauerstoff-, Peroxid- und Hydroxil-Radikale oder H2O2, die als normales Nebenprodukt von Oxidationen entstehen, aber auch durch ionisierende Strahlung (Röntgen und g). Dabei werden die Basen oxidiert.
Ein typisches Produkt der Thyminoxidation ist Thyminglykol (siehe rechts).

!thymin1 - DNA-Reparatur: Ablauf & Formen der Beschädigung
Viele Umwelt-Chemikalien aber auch zelleigene Stoffe können die DNA alkylieren. Empfindliche Stellen sind die Heteroatome der Basen.

Natürlicherweise entstehen pro Tag und haploidem Genom z.B. mehrere hundert 3-Methyladenin-Nukleotide. Alkylierende Agenzien wie Pestizide und Kampfgase verstärken die Alkylierung, sodaß die natürlichen Reparaturmechanismen überfordert sind.


alk1 - DNA-Reparatur: Ablauf & Formen der Beschädigung
Thymindimere durch UV

Die häufigsten Photoprodukte durch UV-Licht sind Thymindimere,
genauer Pyrimidin-Cyklobutan-Dimere zwischen benachbarten Pyrimidinen.
T-T-Dimere werden neben T-C oder C-T-Dimeren am häufigsten
gebildet.

Die Abbildung rechts zeigt ein T-T-Dimer. Dabei besteht der Cyklobutanring (blau) in Wirklichkeit aus gleichlangen Bindungen, was das DNA-Molekül an der Stelle verzerrt.

Dimere können auch durch eine einzige kovalente Bindung zwischen dem C-Atom in Position 6 des Pyrimidins und dem C-Atom in Pos. 4 des anderen Pyrimidinrings entstehen.

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Replikationsfehler

Bei der Replikation können durch Fehler der DNA-Polymerase Deletionen und eingeschobene Basen entstehen.

Verbindungen zwischen den DNA-Einzelsträngen

Alkylierende Agenzien wie Psoralene, UV-Licht und ionisierende Strahlung können beide Stränge miteinander verbinden.

Verbindungen zwischen den DNA-Einzelsträngen und Proteinen

Alkylierende Agenzien, UV-Licht und ionisierende Strahlung können Einzelstränge mit Proteinen verbinden.

Strangbrüche

Ionisierende Strahlung kann Brüche im Einzelstrang und im gesamten Doppelstrang verursachen.

In Säugetierzellen gibt es folgende Reparaturwege:

  1. Sofortige Reparatur der DNA-Beschädigung
  2. Ausschneiden und Ersetzen der beschädigten Stelle
  3. Toleranz der DNA-Beschädigung, die nicht repariert werden kann und Minimierung der Effekte.

1. Sofortige Reparatur

!pr - DNA-Reparatur: Ablauf & Formen der BeschädigungIn den meisten Fällen ist eine sofortige Reparatur aus energetischen Gründen nicht möglich.

In Bakterien, Pilzen, Pflanzen und Tieren jedoch nicht im Menschen
wurde ein Reparaturenzym, die Photolyase gefunden, die mit
Hilfe des Lichts Dimere beseitigt.

Dagegen besitzen alle Organismen die O6-Methylguanin-DNA Methyltransferase, die direkt die Alkylierung des O6-Methyl-Guanins rückgängig macht, indem sie die Methylgruppe auf ein Cystein in einem Protein überträgt. Auch die DNA-Ligase kann sofort Fehler der Replikation beseitigen.
Daneben gibt es verschiedene Proteine, die z.B. Basenfehlpaarungen nach der Replikation beseitigen.2. Ausschneiden (Exzision) und Ersetzen defekter oder modifizierter Basen

Dies ist der allgemeine Weg um mit Hilfe der DNA- N-Glycosylase die defekten oder alkylierten Basen zu ersetzen. Man fand in allen Organismen eine große Anzahl verschiedener Enzyme.

3. Ausschneiden und Ersetzen ganzer Nukleotide (NER)

In allen Organismen geschieht dies wie folgt:

  • Erkennung der beschädigten Stelle
  • Bindung eines Multiproteinkomplexes an die beschädigte Stelle
  • Ausschneiden der beschädigten Stelle( mehrere Nukleotide) an beiden DNA-Strängen
  • Auffüllen der fehlenden Nukleotidsequenz durch DNA Polymerase und Ligase.
!xpa_xpc - DNA-Reparatur: Ablauf & Formen der BeschädigungEukaryonten enthalten verschiedene Proteine zur Reparatur, je nach Lage der Beschädigung.
Links ist das XPC-XPA-System für allgemeine Schäden von Genen am nicht-transkribierten Strang abgebildet.Liegt der Schaden in einem transkribierten Gen, wird die “Transkriptions-gekoppelte Reparatur” (TCR)
!tfiih_b - DNA-Reparatur: Ablauf & Formen der Beschädigungdurch die RNA Polymerase II stimuliert (siehe links). Hierzu gehören mehr als 10 Proteine und Enzyme.

Links das TCR-Reparatur-System.

Es gibt Krankheiten, bei denen die Gene dieser Reparaturproteine defekt sind:

Xeroderma Pigmentosum (XP), Cockayne’s Syndrom (CS) und Trichothiodystrophy (TTD) oder Ataxia-telangiectasia (1:40,000 Geburten -1:100,000).

Reparatur von Doppelstrangbrüchen

Man kennt 2 Systeme zur Reparatur von Doppelstrangbrüchen. Das eine erhält die Information vom Schwesterchromosom, das andere verbindet die Enden einfach (NHEJ= non-homologous end joining).

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