DNA-Reparatur

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Übergeordnet
DNA-Metabolismus
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Basen-Exzisionsreparatur
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Durch Mechanismen der DNA-Reparatur können Zellen Veränderungen ihrer DNA-Struktur beseitigen. Solche Schäden in der DNA können spontan im Verlauf der DNA-Replikation oder durch die Einwirkung mutagener Substanzen, extremer Wärme oder ionisierender Strahlung verursacht werden.

DNA-Schäden können dazu führen, dass die Replikation der DNA für die Mitose falsch erfolgt, Proteine nicht mehr bzw. falsch synthetisiert oder wichtige Chromosomenbereiche nach Doppelstrangbrüchen abgespalten werden.

Bringen die komplexen Reparaturmechanismen der Zelle keinen Erfolg, so sammeln sich in wachsenden und ruhenden somatischen Zellen so viele Fehler an, dass die normalen Zellfunktionen gestört sind. In einer Keimzelle wären die Tochterzellen nicht mehr lebensfähig, was zu einer Inaktivierung der Zelllinie führt: die Zelle bzw. die zweite bis dritte nachfolgende Generation verliert ihre Teilungsfähigkeit und stirbt. Im Zuge der Zellzykluskontrolle können Kontrollproteine eine Zelle bzw. deren DNA als defekt erkennen und einen Zyklusarrest (G0-Phase) oder den programmierten Zelltod (Apoptose) einleiten.[1]

Einzelne DNA-Reparaturenzyme konnten inzwischen mit PAL-Mikroskopie bei ihrer Arbeit in einem Bakterium verfolgt und die entsprechenden Parameter bestimmt werden. So dauert beispielsweise in E. coli eine Basenexzisionsreparatur gut zwei Sekunden.[2]

Ursachen von DNA-Schäden[Bearbeiten]

Mögliche Ursachen sind Stoffwechselvorgänge, chemische Substanzen oder Ionisierende Strahlung, wie zum Beispiel UV-Strahlung, Elektronen oder Protonen.

Sowohl DNA-Schäden als auch Fehler bei der Replikation und anderen zellulären Prozessen können zu Mutationen führen. Da für Mutationen eigene Reparaturmechanismen existieren, können sie hier ähnlich wie DNA-Schäden betrachtet werden.

Stoffwechselvorgänge[Bearbeiten]

Eine Zelle ist ein System im Fließgleichgewicht. Sie nimmt fortwährend Moleküle auf, verarbeitet sie, synthetisiert benötigte Stoffe, und gibt wiederum bestimmte Stoffe an die Umgebung ab. Beim normalen zellulären Metabolismus können reaktive Sauerstoffspezien (ROS, unter anderem Sauerstoffradikale) entstehen, welche ein signifikantes Ausmaß an oxidativen Schaden anrichten. Am häufigsten sind dies Basenschäden und Einzelstrangbrüche, weniger als 0,5 % sind Doppelstrangbrüche, welche auch noch relativ gleichförmig über die DNA verteilt sind. Die Wahrscheinlichkeit endogen induzierter Schadenscluster und damit – schwierig zu reparierender – gehäufter Läsionen (complex lesions), wie sie sonst durch die nicht-homogene Energieabgabe ionisierender Strahlen auftreten, ist sehr gering. Eine zu hohe Protonendichte und/oder zu hohe Temperatur kann Depurinierungen oder Depyrimidierung auslösen.

UV-Strahlung[Bearbeiten]

Durch die UV-Strahlung kann es zu direkten Veränderungen (Mutationen) der DNA kommen, wobei diese insbesondere UV-B-Strahlung absorbiert. Einzelsträngige DNA zeigt ihr Absorptionsmaximum bei 280 nm. Sowohl UV-B als auch UV-A können indirekt die DNA durch die Entstehung von reaktiven Sauerstoffradikalen schädigen, die die Entstehung von Oxidativen DNA-Läsionen bewirken, die wiederum zu Mutationen führen. Diese sind vermutlich für die Entstehung von UV-A-induzierten Tumoren verantwortlich.[3]

Arten von DNA-Schäden[Bearbeiten]

  • Basenmodifikationen
    • Pyrimidindimere in der Regel 6–4-Photoprodukte (6-4PPs) oder Cyclobutan-Pyrimidindimere (CPDs)
    • oxidierte Basen beispielsweise 8-Oxo-7,8-Dihydroguanin (8-oxoG) oder 8-Oxo-7,8-Dihydroadenin (8-oxoA)
    • alkylierte Basen (z.B. Basenmethylierungen)
    • andere Bulky lesions (sperrige Basenveränderungen)
  • Basenfehlpaarungen durch fehlerhafte Replikation (Mismatch)
  • Basenverlust – Apurinierungen oder Apyrimidierungen (AP sites)
  • Veränderungen des Zuckergerüsts
  • DNA-Protein-Vernetzungen (DNA protein crosslinks)
  • DNA-DNA-Verknüpfungen (DNA crosslinks)
  • Einzelstrangbrüche (ss breaks)
  • Doppelstrangbrüche (ds breaks)

Die Behandlung mit einem Gray Röntgenstrahlung erzeugt pro Zelle etwa [4]

  • 1000–2000 Basenmodifikationen
  • 500–1000 Einzelstrangbrüche
  • 800–1600 Veränderungen des Zuckergerüsts
  • 150 DNA-Protein-Vernetzungen
  • 50 Doppelstrangbrüche

Reparatur von DNA-Schäden[Bearbeiten]

Reparatur der DNA

Für die unterschiedlichen Arten von DNA-Schäden existieren unterschiedliche, spezialisierte Reparaturmechanismen. Einige Mechanismen sind beispielsweise auf die Reparatur von Schäden im DNA-Einzelstrang, andere auf die Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen spezialisiert.

Unterschiede bestehen auch zwischen Prokaryonten und Eukaryonten, die unterschiedliche DNA-Polymerasen besitzen.

Einzelstrang-Schadensreparatur[Bearbeiten]

Basenexzisionsreparatur (BER)[Bearbeiten]

Bei der Basenexzisionsreparatur werden Fehler in Form oxidierter, alkylierter oder deaminierter einzelner Basen behoben. Dabei werden Schäden an den Basen durch eine jeweils spezifische DNA-Glykosylase erkannt und herausgeschnitten (Exzision). Diese wandert entlang der kleinen Furche und klappt die einzelnen Basen in ihr katalytisches Zentrum. Eine beschädigte Base wird von der DNA-Glykosylase entfernt, danach wird durch eine AP-Endonuklease (Apurinische/apyrimidinische-Endonuklease) ein Einzelstrangbruch im Zucker-Phosphat-Rückgrat eingeführt. Eine DNA-Polymerase synthetisiert abhängig von der komplementären Base auf dem fehlerfreien Strang die korrekte Base. Es existieren hier zwei Varianten der BER: short patch repair (eine einzelne Base wird ersetzt) und long patch repair (2-20 Nukleotide werden ersetzt). Beim Menschen ist die DNA-Polymerase β (Pol β) die hauptverantwortliche Polymerase. Eine DNA-Ligase verknüpft die neue Base im DNA-Strang, womit der Fehler korrigiert ist.

Nukleotidexzisionsreparatur (NER)[Bearbeiten]

Im Unterschied zur Basenexzisionsreparatur werden von der Nukleotidexzisionsreparatur (NER) vor allem sogenannte "bulky lesions" erkannt, also Stellen, die eine Art "Buckel" im DNA-Molekül erzeugen und dadurch die Helixstruktur stören. Es kann sich dabei um Pyrimidindimere und 6,4 Photoprodukte handeln, welche durch UV-Strahlung erzeugt werden.

Die Nukleotidexzisionsreparatur gliedert sich in die Schadenserkennung, das Einschneiden, das Herausschneiden eines 25-30 Basen langen DNA-Abschnitts, die Neusynthese dieses Abschnittes und die anschließende Ligation.

NER kommt sowohl bei Pro- als auch bei Eukaryonten vor, jedoch unterscheiden sich die Mechanismen und beteiligten Enzyme. Während bei Prokaryonten wie Escherichia coli Uvr Proteine und DNA-Polymerase I beteiligt sind, sind es bei Eukaryonten Proteine, die ihre Namen von den Erbkrankheiten Xeroderma pigmentosum und Cockayne-Syndrom haben, z.B. XPA bzw. CSA. Zu den beteiligten Polymerasen gehören die DNA-Polymerasen δ, ε und/oder κ.

Bei Eukaryonten gibt es zwei Wege der Nukleotidexzisionsreparatur. Zum einen Global Genome Repair (GGR), welche Schäden in transkriptionsinaktiven Bereichen der DNA behebt und zum anderen die sogenannte Transcription Coupled Repair (TCR), welche Schäden an der aktuell zu transkribierenden DNA behebt. Diese beiden Formen unterscheiden sich nur in der Schadenserkennung. Bei der GGR wird die DNA-Läsion vom Proteinkomplex XPC/HHR23B erkannt. Dagegen spielt dieser Komplex bei der TCR keine Rolle. Bei der TCR ist es von Bedeutung, dass die durch die Schädigung blockierte RNA Polymerase II entfernt wird, um so den TCR-Proteinen Zugriff zur DNA-Schädigung zu ermöglichen. Dieses Entfernen der RNA Polymerase II wird durch CSA und CSB ermöglicht. Die weiteren Schritte sind bei beiden Reparaturwegen identisch. XPA und RPA dienen zur weiteren DNA-Schadenserkennung und dirigieren die Helikasen XPB und XPD zur Läsion, welche die DNA unmittelbar in der Nähe der Schädigung entwinden. Die Endonukleasen XPG und XPF-ERCC1 schneiden den DNA-Strang an zwei Stellen, 3' bzw. 5' (duale Inzision), so dass ein ca. 30 Basen umfassendes Oligonukleotid freigesetzt wird, welches die Schädigung enthält. Nun folgt die Polymerisation des fehlenden DNA-Abschnitts durch DNA Polymerase und weitere Faktoren. Als letztes erfolgt die Ligation des synthetisierten Abschnitts durch DNA-Ligase I und Flap Endonuklease 1 oder den Ligase-III-XRCC1-Komplex.

Mutationen, welche die CSA/B Gene betreffen, führen zur Ausbildung des Krankheitsbildes Cockayne-Syndrom. Mutationen betreffend der XPA-XPG Familie führen zur Ausbildung des Krankheitsbildes Xeroderma pigmentosum. Bei Xeroderma pigmentosum ist das Hautkrebsrisiko erhöht, was auf die Wichtigkeit einer funktionierenden DNA-Reparatur nach UV-Bestrahlung hinweist.

Korrekturlesen durch DNA-Polymerase (Basenfehlpaarungsreparatur, Mismatch-Reparatur)[Bearbeiten]

Das für das Kopieren der DNA zuständige Protein DNA-Polymerase besitzt die Fähigkeit, den neuen DNA-Strang noch während der Synthese zu überprüfen und mit dem ursprünglichen Strang zu vergleichen. Dennoch ist diese Funktion ungenau und ohne weitere Kontrolle durch DNA-Mismatch-Reparaturproteine wäre die Anzahl spontaner Mutationen um das 1000-fache erhöht. Das Bakterium Escherichia coli kann zudem anhand des Methylierungsstatus den bei der Replikation entstandenen fehlerhaften Tochterstrang von der abgeschriebenen DNA unterscheiden. Der neue Strang wird etwas später als die Matrize (der Elternstrang) an den Adeninresten der Sequenz GATC methyliert. Ein Defekt in der Mismatchreparatur verursacht eine Form von Darmkrebs: Hereditäres non-polypöses kolorektales Karzinom (HNPCC, hereditary nonpolyposis colorectal cancer).

Photoreaktivierung[Bearbeiten]

Photolyasen sind in der Lage, durch ultraviolette Strahlung in der DNA entstandene Cyclobutan-Ringe und (6-4)-Photoprodukte aufzulösen. Sie verfügen über einen sog. Antennenkomplex, mit dem sie blaues oder ultraviolettes Licht absorbieren und mithilfe dieser Energie vom Kofaktor FAD zwei Elektronen auf den im aktiven Zentrum des Enzyms gebundenen DNA-Schaden übertragen. Selbiger spaltet sich in der Folge. Die Photolyase stellt so ohne Herausschneiden und Einfügen von Basen die native Struktur der DNA wieder her. Bis heute konnten in vielen Organismen von den Prokaryoten über Pilze und Pflanzen bis hin zu Beuteltieren Photolyasen nachgewiesen werden. Trotz ihrer unbestrittenen vorteilhaften Eigenschaften für diese Organismen sind die Photolyasen im Laufe der Evolution mehrfach verloren gegangen. [5] Auch die höheren Säugetiere, zu denen der Mensch zählt, besitzen keine reparaturaktiven Varianten dieser Proteine mehr. Die Gründe hierfür sind bisher nicht abschließend geklärt.

Reparatur von Doppelstrangbrüchen (Rekombinationsreparatur)[Bearbeiten]

Bei einem Doppelstrangbruch gibt es die Möglichkeit, dass das Schwesterchromosom die fehlende Information für diesen DNA-Abschnitt überträgt.

  • Nichthomologes Endjoining
  • Homologe Rekombination
  • Single strand annealing

Eine Störung dieser Reparatursysteme manifestiert sich klinisch häufig als Chromosomenbruchsyndrom, wie zum Beispiel das Nijmegen-Breakage-Syndrom.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. C. R. Bartram: Genetische Grundlagen der Kanzerogenese. In: W. Hiddemann, C. R. Bartram (Hrsg.): Die Onkologie. Teil 1, Ausgabe 2, Verlag Springer, 2009, ISBN 3-540-79724-6, S. 118–127. eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche
  2. S. Uphoff, R. Reyes-Lamothe u. a.: Single-molecule DNA repair in live bacteria. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Band 110, Nummer 20, Mai 2013, S. 8063–8068, ISSN 1091-6490. doi:10.1073/pnas.1301804110. PMID 23630273. PMC 3657774 (freier Volltext).
  3. Peter Elsner, Erhard Hoelzle u. a.: Täglicher Lichtschutz in der Prävention chronischer UV-Schäden der Haut. In: JDDG. 5, 2007, S. -–-, doi:10.1111/j.1610-0387.2007.06099_supp.x.
  4. Rolf Sauer: Strahlentherapie und Onkologie. 5. Auflage, Elsevier GmbH, Urban und Fischer Verlag, München, 2010; ISBN 978-3-437-47501-6, S. 112. eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche
  5. Lucas-Lledó, J.I. & Lynch, M. Evolution of mutation rates: phylogenomic analysis of the photolyase/cryptochrome family. Mol. Biol. Evol 26, 1143-1153 (2009).