Mechanismen der DNA-Reparatur

  • Von Shelley Farrar Stoakes, M.Sc., B.Sc.Überprüft von Afsaneh Khetrapal, BSc

    Die DNA-Reparatur kann in eine Reihe von Mechanismen unterteilt werden, die Schäden in DNA-Molekülen identifizieren und korrigieren. Es gibt zwei allgemeine Klassen der DNA-Reparatur: die direkte Umkehrung des chemischen Prozesses, der den Schaden verursacht, und den Ersatz beschädigter Nukleotidbasen.

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    Die DNA kodiert das Zellgenom und ist daher eine permanente Kopie einer Struktur, die für das korrekte Funktionieren einer Zelle notwendig ist. Veränderungen in der DNA-Struktur können Mutationen und genomische Instabilität verursachen, die zu Krebs führen. Schäden an der DNA entstehen durch den Einbau falscher Nukleotidbasen während der DNA-Replikation und durch chemische Veränderungen, die durch spontane Mutationen oder die Einwirkung von Umweltfaktoren wie Strahlung verursacht werden.

    Der Mechanismus der direkten Umkehrung der DNA-Reparatur

    Die direkte Umkehrung von DNA-Schäden ist ein Reparaturmechanismus, der keine Vorlage benötigt und bei zwei Haupttypen von Schäden angewendet wird. UV-Licht induziert die Bildung von Pyrimidin-Dimeren, die die DNA-Kettenstruktur verzerren und die Transkription über den Bereich der Schädigung hinaus blockieren können.

    Direkte Umkehrung durch Photoreaktivierung kann diese Dimerisierungsreaktion umkehren, indem die Lichtenergie zur Zerstörung der anormalen kovalenten Bindung zwischen benachbarten Pyrimidinbasen genutzt wird. Diese Art der Photoreaktivierung kommt beim Menschen nicht vor.

    Die Schäden, die durch Alkylierungsmittel verursacht werden, die mit der DNA reagieren, können auch durch direkte Umkehrung repariert werden. Die Methylierung von Guaninbasen führt zu einer Veränderung der DNA-Struktur, indem ein Produkt gebildet wird, das komplementär zu Thymin und nicht zu Cytosin ist. Das Protein Methyl-Guanin-Methyl-Transferase (MGMT) kann das ursprüngliche Guanin wiederherstellen, indem es das Methylierungsprodukt auf seine aktive Stelle überträgt.

    DNA-Reparatur durch Exzision

    Exzision ist der allgemeine Mechanismus, mit dem Reparaturen durchgeführt werden, wenn einer der Doppelhelixstränge beschädigt ist. Der nicht geschädigte Strang wird als Vorlage verwendet, wobei die geschädigte DNA auf dem anderen Strang entfernt und durch die Synthese neuer Nukleotide ersetzt wird. Es gibt drei Arten der Exzisionsreparatur:

    1. Basenexzisionsreparatur.
    2. Nukleotidexzisionsreparatur.
    3. Mismatch-Reparatur.

    Basenexzisionsreparatur beinhaltet die Erkennung und Entfernung einer einzelnen beschädigten Base. Der Mechanismus erfordert eine Familie von Enzymen, die Glycosylasen genannt werden. Die Enzyme entfernen die beschädigte Base und bilden eine AP-Stelle, die von der AP-Endonuklease repariert wird, bevor die Nukleotidlücke im DNA-Strang von der DNA-Polymerase aufgefüllt wird.

    Die Nukleotid-Exzisionsreparatur ist ein weit verbreiteter Mechanismus zur Reparatur von DNA-Schäden und erkennt mehrere beschädigte Basen. Dieser Mechanismus wird beim Menschen zur Reparatur der Bildung von Pyrimidin-Dimeren durch UV-Licht eingesetzt. Der Prozess beinhaltet die Erkennung von Schäden, die dann auf beiden Seiten von Endonukleasen gespalten werden, bevor sie von der DNA-Polymerase neu synthetisiert werden.

    Der dritte Exzisionsmechanismus wird als Mismatch-Reparatur bezeichnet und tritt auf, wenn während der Replikation nicht übereinstimmende Basen in den DNA-Strang eingebaut und von der Korrektur lesenden DNA-Polymerase nicht entfernt werden. Bei der Mismatch-Reparatur werden die übersehenen Fehler später durch Enzyme korrigiert, die die fehlgeleitete Base erkennen und herausschneiden, um die ursprüngliche Sequenz wiederherzustellen.

    DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur

    Die Reparatur von Schäden an beiden DNA-Strängen ist für die Aufrechterhaltung der genomischen Integrität besonders wichtig. Es gibt zwei Hauptmechanismen für die Reparatur von Doppelstrangbrüchen: die homologe Rekombination und die klassische nichthomologe Endverbindung.

    Die homologe Rekombination beinhaltet den Austausch von Nukleotidsequenzen, um beschädigte Basen auf beiden DNA-Strängen durch die Verwendung eines Schwesterchromatids zu reparieren. Die klassische nichthomologe Endverbindung verbindet die Bruchenden ohne homologe Vorlage durch die Verwendung kurzer DNA-Sequenzen, die als Mikrohomologien bezeichnet werden. Dieser Mechanismus ist fehleranfällig, schützt aber die Integrität des Genoms vor möglichen chromosomalen Translokationen, die durch homologe Rekombination auftreten können.

    Studien haben auch ergeben, dass Doppelstrangbrüche unter bestimmten Bedingungen durch alternative Mechanismen wie einzelsträngiges Annealing und alternatives Joining repariert werden können. Diese Mechanismen sind mutagen und können zu einem Verlust an genetischer Information führen.

    Single-stranded annealing sorgt für eine Endverbindung zwischen durchsetzten Nukleotidwiederholungen innerhalb des Genoms, was dazu führt, dass eine Kopie der Wiederholung und die dazwischen liegende Sequenz in diesem Prozess gelöscht werden. Die alternative Verknüpfung verfügt über einen undefinierten Mechanismus zur Reparatur von Doppelstrangbrüchen, ist aber dafür bekannt, dass sie die genomische Integrität gefährdet, indem sie Endbrüche auf verschiedenen Chromosomen verbindet.

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    Geschrieben von

    Shelley Farrar Stoakes

    Shelley hat einen Master-Abschluss in menschlicher Evolution von der Universität Liverpool und arbeitet derzeit an ihrem Ph.D. und erforscht die vergleichende Skelettanatomie von Primaten und Menschen. Ihre Leidenschaft gilt der Wissenschaftskommunikation, wobei sie sich besonders darauf konzentriert, einem breiten Publikum die neuesten wissenschaftlichen Nachrichten und Entdeckungen zu vermitteln. Außerhalb der Forschung und des wissenschaftlichen Schreibens liest Shelley gerne, entdeckt neue Bands in ihrer Heimatstadt und macht lange Spaziergänge mit ihrem Hund.

    Letzte Aktualisierung am 26. Februar 2019

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      Stoakes, Shelley Farrar. (2019, February 26). Mechanisms of DNA Repair. News-Medical. Abgerufen am 25. März 2021 von https://www.news-medical.net/life-sciences/Mechanisms-of-DNA-Repair.aspx.

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      Stoakes, Shelley Farrar. „Mechanisms of DNA Repair“. News-Medical. 25 March 2021. <https://www.news-medical.net/life-sciences/Mechanisms-of-DNA-Repair.aspx>.

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      Stoakes, Shelley Farrar. „Mechanisms of DNA Repair“. News-Medical. https://www.news-medical.net/life-sciences/Mechanisms-of-DNA-Repair.aspx. (Zugriff am 25. März 2021).

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      Stoakes, Shelley Farrar. 2019. Mechanisms of DNA Repair. News-Medical, abgerufen am 25. März 2021, https://www.news-medical.net/life-sciences/Mechanisms-of-DNA-Repair.aspx.

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