mini|Schematische Übersicht
Durch Mechanismen der DNA-Reparatur (Desoxyribonukleinsäure-Reparatur) können Zellen DNA-Schäden 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 in der G0-Phase (Zellseneszenz) oder den programmierten Zelltod (Apoptose) einleiten.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 (). Nichtreparierte DNA-Schäden in bestimmten Genen (Onkogene, Tumorsuppressorgene) können zu Krebs führen.
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.S. Uphoff, R. Reyes-Lamothe u. a.: Single-molecule DNA repair in live bacteria. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 110, Nummer 20, Mai 2013, S. 8063–8068, doi:10.1073/pnas.1301804110. PMID 23630273. . Für ihre Arbeiten zur DNA-Reparatur erhielten Tomas Lindahl, Paul Modrich und Aziz Sancar 2015 den Nobelpreis für Chemie.
Ursachen von DNA-Schäden mini|DNA-Schäden resultieren in gebrochenen Chromosomen 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.
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.
Arten von DNA-Schäden mini|DNA-Schäden und -Reparatur
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 etwaRolf Sauer: Strahlentherapie und Onkologie. 5. Auflage, Elsevier GmbH, Urban und Fischer Verlag, München, 2010; ISBN 978-3-437-47501-6, S. 112 (). 1000–2000 Basenmodifikationen 500–1000 Einzelstrangbrüche 800–1600 Veränderungen des Zuckergerüsts 150 DNA-Protein-Vernetzungen 50 Doppelstrangbrüche
DNA-Reparaturgene, die bei Krebs oft mutiert sind HR NHEJ SSA FA BER NER MMR ATM-Kinase ✔ ✔ ✔ ATR-Kinase ✔ ✔ ✔ PAXIP ✔ ✔ RPA ✔ ✔ ✔ BRCA1 ✔ ✔ BRCA2 ✔ ✔ RAD51 ✔ ✔ RFC ✔ ✔ ✔ XRCC1 ✔ ✔ PCNA ✔ ✔ ✔ PARP1 ✔ ✔ ERCC1 ✔ ✔ ✔ ✔ MSH3 ✔ ✔ ✔ HR = homologe Rekombination; NHEJ = non-homologous end joining; SSA = single-strand annealing; FA = fanconi anemia pathway; BER = base excision repair; NER = nucleotide excision repair; MMR = mismatch repair
Reparatur von DNA-Schäden 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.
+ DNA-Reparaturmechanismen und ein ToleranzmechanismusMechanismus DNA-Schaden Genauigkeit QuellenBasenexzisionsreparatur (base excision repair, BER)behebt Schäden durch Oxidation, Desaminierung und Alkylierung, die Einzelstrangbrüche erzeugen genau Nucleotidexzisionsreparatur (nucleotide excision repair, NER) Endogene Schäden wie Cyclopurin, Thymindimere (Cyclobutandimere und Pyrimidin-(6-4)-pyrimidon-Photoprodukte)genauHomologie-gerichtete Reparatur (homology-directed repair, HDR) Doppelstrangbrüche in der S-Phase oder G2-Phase des ZellzyklusgenauNichthomologe Endverknüpfung (non-homologous end joining, NHEJ) Doppelstrangbrüche in der G0-Phase, der G1-Phase oder der G2-Phase des Zellzyklus ungenauAlternative Endverknüpfung (Microhomology-mediated end joining, MMEJ, oder alt-End joining) Doppelstrangbrüche in der S-Phase des Zellzyklus immer ungenauFehlpaarungsreparatur (DNA mismatch repair, MR) Basenaustausche und Indel-basierte Fehlpaarungen aufgrund der DNA-Replikation genauDirekte Umkehr (direct reversal)6-O-Methylguanin wird durch die MGMT zurück in Guanin umgewandelt, manche DNA-Methylierungen werden durch AlkB entfernt genau Transläsionsynthese (translesion synthesis, TS) Toleranz von DNA-Schaden, wodurch die DNA-Replikation nicht bei einem Schaden unterbricht teilweise ungenau
Einzelstrang-Schadensreparatur Basenexzisionsreparatur (BER) mini|Basenexzisionsreparatur mini|DNA-Ligase bei der Verknüpfung von Strangbrüchen mini|Uracil-DNA-Glykosylase
Bei der Basenexzisionsreparatur werden Fehler in Form oxidierter, alkylierter oder desaminierter 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)
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 Eukaryoten 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.
Korrekturlesen durch DNA-Polymerase (Basenfehlpaarungsreparatur) Bei der Replikation werden die beiden Stränge eines DNA-Doppelstrangs getrennt und jeweils durch Basenpaarung komplementär ergänzt, sodass anschließend zwei (nahezu) identische doppelsträngige DNA-Moleküle vorliegen. Das hieran beteiligte Enzym, eine DNA-abhängige DNA-Polymerase, katalysiert nicht nur die Synthese eines neuen DNA-Strangs aus Nukleotiden anhand der vorliegenden DNA-Matrize. Es kann zudem während des Prozesses eine Fehlpaarung (englisch mismatch) erkennen und rückgängig machen, sodass das korrekt gepaarte Desoxyribonukleotid angefügt werden kann; dies wird als Korrekturlesen (englisch proofreading) bezeichnet.
Diese zusätzliche Funktion der DNA-Polymerase wird mit sehr geringer Fehlerquote ausgeführt, allerdings nicht hundertprozentig genau. Durch die Mithilfe von DNA-Mismatch-Reparaturproteinen wird die Fehlerquote weiter abgesenkt, die Anzahl spontaner Mutationen liegt damit um rund das Tausendfache niedriger. Anhand seines Methylierungsstatus kann hierbei ein womöglich fehlerhaft entstandener Tochterstrang von der Elternstrangmatrize unterschieden werden, da er erst später methyliert wird. Ein Defekt im Ablauf der Mismatchreparatur kann beispielsweise eine Form von Darmkrebs, ein hereditäres non-polypöses kolorektales Karzinom, verursachen.
Photoreaktivierung 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.Lucas-Lledó, J.I. & Lynch, M. Evolution of mutation rates: phylogenomic analysis of the photolyase/cryptochrome family. Mol. Biol. Evol 26, 1143–1153 (2009). 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 mini|Arten der Reparatur von Doppelstrangbrüchen