DNA-Schäden und DNA-Reparatur

Die Replikationsgenauigkeit der DNA bei den Prokaryota ist relativ hoch. Die gesamte Fehlerrate beträgt lediglich 1 Fehler pro 10 9 -10 10 Nucleotide, obwohl Fehlpaarungen bei der Elongation sehr viel häufiger sind. Die hohe Genauigkeit wird erzielt durch:

  • den doppelt kontrollierten Auswahlmechanismus der dNTP durch die DNA-Polymerase bei den Elongationsschritten,
Fehlerrate danach 1 pro 10 4 Nucleotide
  • die Exonucleaseaktivität, die falsch eingebaute Nucleotide entfernt,
Fehlerverminderung um das 200- bis 1 000-Fache
  • die DNA-Reparatur nach der Replikation.
verbleibende Fehlerrate 1 pro 10 9 -10 10

Tautomerien der Stickstoffbasen

Tautomerien der Stickstoffbasen

DNA-Schäden

Durch äußere und innere Ursachen können an den großen DNA-Molekülen mannigfaltige Schäden auftreten. Die Replikation oder Transkription kann beeinträchtigt werden. Häufig bewirken die Schäden Mutationen (bleibende Veränderungen des genetischen Materials).
Die wichtigsten Schäden sind:

  • Replikationsfehler , die trotz Fehlerkorrektur durch die DNA-Polymerase auftreten. Sie müssen nach der Replikation beseitigt werden. Tautomerie kann eine Ursache von Fehlpaarungen sein.Die Stickstoffbasen der Nucleotide existieren in verschiedenen isomeren Strukturen, die durch Umlagerungen von Doppelbindungen und Protonen entstehen. Diese spezielle Form der Isomerie wird als Tautomerie bezeichnet. Zwischen beiden vorkommenden Tautomeren besteht ein Gleichgewicht. Es liegt fast vollständig auf der Seite der Keto- bzw. Aminoformen der Stickstoffbasen, die bei der Replikation gewöhnlich auch eingebaut werden.
    Die selteneren Desoxynucleosidtriphosphate (dNTP) der anderen tautomeren Variante sind zu den jeweils anderen Purin- und Pyrimidinbasen komplementär. Werden sie im Zuge der Elongation zufällig verwendet, kommt es zu Fehlpaarungen.

Fehlpaarungen durch Tautomerien

Fehlpaarungen durch Tautomerien

Methylierte Stickstoffbasen

Methylierte Stickstoffbasen

Thymindimer

Thymindimer

  • Nichtenzymatische Modifizierungen der Stickstoffbasen mit Methyl-Resten. Die Reaktion wird als Alkylierung bezeichnet und wird durch verschiedene Substanzen endo- bzw. exogener Herkunft verursacht. Die methylierten Nucleotide paaren sich häufig falsch. Beispielsweise bindet O 6 -Methylguanin sich an Thymin statt an Cytosin.
  • UV-Strahlung kann Verbindungen zwischen gleichen benachbarten Basen eines Strangs bewirken. Dimerisierung kommt häufig bei Thymin vor.
  • Wärme kann den Verlust von Purinbasen durch Hydrolyse auslösen.
  • Oxidative Veränderungen werden durch Radikale, vor allem Sauerstoffradikale, verursacht. Es entstehen vielfältige Basenmodifikationen.
  • Freie Radikale können aber auch Doppelstrangbrüche der DNA-Doppelhelix bewirken.

Oxidierte Stickstoffbasen

Oxidierte Stickstoffbasen

Bakterielle DNA-Reparatursysteme

Hinsichtlich der vielfältigen möglichen Schäden an DNA gibt es verschiedene Reparatursysteme, mit denen auch Replikationsfehler beseitigt werden. Alle Systeme basieren auf der Redundanz der Information im DNA-Doppelstrang, dem mehrfachen Vorhandensein der Information. Es werden vier grundsätzliche Reparaturmechanismen unterschieden:

  1. Fehler im Zuge der Replikation werden durch die Fehlpaarungsreparatur behoben. Enzyme kontrollieren während der Replikation die komplementären Basenpaare. Ein erkannter Fehler wird sofort auf dem Tochterstrang korrigiert. Der Elternstrang, sozusagen das Original der Kopie, wird durch modifizierte Adenin-Nucleotide erkannt.
  2. Durch direkte Reparatur werden beispielsweise Thymin-Dimere beseitigt. DNA-Fotolyasen, Enzyme, die bei Licht aktiviert werden, reparieren den Schaden.
    Ebenso direkt können Methylierungen der Nucleotide beseitigt werden. DNA-Reparatur-Methyltransferasen binden in ihrem aktiven Zentrum die überschüssige Methylgruppe. Die DNA-Base ist wieder im Originalzustand. Da die Methylgruppe sich nicht mehr aus dem Enzym lösen kann, wird es unbrauchbar. Die inaktiven Enzyme steigern aber über genregulative Prozesse ihre Neusynthese.
    Dieser Mechanismus wird zwar nicht sehr häufig genutzt, ist aber im Falle der genannten Beispiele effizient.
  3. Die Reparatur durch Ausschneiden ( Excision ) ist weitverbreitet. Je nachdem, ob eine einzelne Base oder eine kurze DNA-Sequenz ausgeschnitten werden, unterscheidet man Basen- oder Nucleotid-Excisionsreparatur. Prinzipiell unterscheiden sich beide Mechanismen nicht; die beteiligten Enzyme unterscheiden sich jedoch. Nach dem enzymatischen Erkennen des Fehlers wird er herausgeschnitten und anschließend durch erneute komplementäre Basenpaarung repariert.
  4. Große Schäden wie Doppelstrangbrüche oder stark beschädigte, verformte Elternstränge können, wenn möglich, durch die Rekombinationsreparatur behoben werden.
    Beide Schäden führen zu Störungen der Replikation. Im ersten Fall bricht die Replikation ab, es entstehen DNA-Fragmente, und im zweiten Fall fehlt die Vorlage für den Tochterstrang, sodass die Replikation erst an intakten Sequenzen weiter verläuft.
    Zur Reparatur werden homologe DNA-Sequenzen als Vorlage für den intakten Zustand benötigt. Da sich schnell teilende Bakterienzellen meist mit einer neuen Replikationsrunde beginnen, bevor die erste abgeschlossen ist und sich die Zelle geteilt hat, befinden sich mehrere Kopien der DNA in einer Zelle, die als Vorlage dienen können. Durch komplizierte Rekombinationsprozesse (Auffinden homologer Abschnitte, Kombination, Synthese) werden die Schäden repariert. Der Reparaturerfolg hängt jedoch stark von der Schadensgröße ab.

Eukaryotische DNA-Reparatur

Bei Eukaryota erfolgt die Reparatur der DNA mit großer Wahrscheinlichkeit nach den gleichen Prinzipien wie bei den Prokaryota. Allerdings sind sie hier aufgrund des größeren Genoms und seiner komplizierten Struktur wesentlich komplexer.

Stand: 2010
Dieser Text befindet sich in redaktioneller Bearbeitung.

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