Bei der DNA-Reparatur werden mithilfe von spezifischen Enzymkomplexen DNA-Schäden beseitigt. Für die unterschiedlichen Arten von DNA-Schäden existieren dabei unterschiedliche, spezialisierte Reparaturmechanismen. Einige dieser Mechanismen sind beispielsweise auf die Reparatur von Schäden im DNA-Einzelstrang, andere auf die Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen spezialisiert (Abb. 1).
Defekte in DNA-Reparaturmechanismen spielen bei der Entstehung von Krebs eine große Rolle. Die zum Beispiel durch den Verlust von Reparaturmechanismen hervorgerufene genetische Instabilität ist eines der Kennzeichen von Krebs und führt zu einer Anhäufung von Mutationen, die sich als Tumortreiber auswirken können.
Abb 1. Reparaturmechanismen1,2Das Korrekturlesen (Proofreading, direct reversal repair) ist der einfachste Reparaturmechanismus, der direkt bei der Replikation wirkt. Polymerasen korrigieren in 3‘-5‘-Richtung direkt Fehler, die sie selber verursacht haben. Dadurch werden bereits viele Fehler entfernt, die während der Replikation auftreten, es sind jedoch weitere effektive Reparaturmechanismen erforderlich, die Schäden an der replizierten DNA z. B. durch Basenfehlpaarungen oder exogene Faktoren beseitigen.
Basenexizisionsreparatur BER
Bei der Basenexzisionsreparatur werden Schäden durch Oxidation, Alkylierung oder Desaminierung an einzelnen Basen beseitigt. Im Laufe der BER bindet das Enzym PARP1 Poly(ADP-ribose)-Polymerase an den DNA-Strang und macht diesen für die Exzisionsreparatur zugänglich (Abb. 2). Nachdem die PAR-Polymerase vom DNA-Strang dissoziiert ist, wird der Fehler durch das spezifische Enzym DNA-Glykosylase erkannt und herausgeschnitten. Eine DNA-Polymerase synthetisiert abhängig von der komplementären Base auf dem fehlerfreien Strang die korrekte Base.
Man unterscheidet je nach Ausmaß der Reparatur zwei Varianten der BER: short patch repair (eine einzelne Base wird ersetzt) und long patch repair (2-20 Nukleotide werden ersetzt). Eine DNA-Ligase verknüpft die neue Base im DNA-Strang.
Nukleotidexizisionsreparatur NER
Im Unterschied zur Basenexzisionsreparatur werden von der Nukleotidexzisionsreparatur 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 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.
Fehlpaarungsreparatur (Mismatch-Reparatur)
Die Fehlpaarungsreparatur erkennt postmitotische Fehlpaarungen in neu synthetisierten DNA-Strängen mittels eines Heterodimers aus den MutS Homolog-Proteinen MSH2 und MSH3 oder MSH6 je nach Größe des fehlgepaarten Bereichs. Ein weiteres Heterodimer bestehend aus MutL homolog 1 (MLH1) und Mismatch Reparatur Endonukleaze PMS2 schneidet den Strang und eine Exonuclease entfernt das fehlerhafte Stück. Die Lücke wird durch DNA-Polymerasen und DNA-Ligasen verschlossen.5
Ein DNA-Doppelstrangbruch ist die kritischste Beschädigung der DNA, da die Gefahr weitreichender Chromosomenumlagerungen besteht und die Reparatur oft fehlerbehaftet ist. Es existieren mehrere Reparaturmechanismen, die der Zelle abhängig von der jeweiligen Phase des Zellzyklus zur Verfügung stehen.
Nicht-homologe Endverknüpfung NHEJ (Non Homologous End Joining)
Die nicht-homologe Endverknüpfung ist der häufigste Reparaturmechanismus für Doppelstrangbrüche und sequenzunabhängig. Er fügt DNA-Enden zusammen, unabhängig davon ob Sequenzabschnitte verloren gegangen sind (DNA-Deletionen), und gilt daher als fehlerbehaftet. Der NHEJ-Mechanismus ist in der G1-Phase des Zellzyklus am aktivsten.
Nicht-homologe Endverknüpfung NHEJ
Die homologe Rekombination ist der einzige fehlerfreie Reparaturmechanismus für Doppelstrangbrüche. Er verwendet ein Schwesterchromatid als Vorlage. Aufgrund der Abhängigkeit vom Vorliegen der Schwesterchromatiden ist die homologe Rekombination auf die späte S-Phase und G2-Phase beschränkt. An der komplexen homologen Rekombination sind BRCA1 und 2 sowie zahlreiche weitere Proteine beteiligt (Abb. 3).
Eines der Kennzeichen von Krebs ist die Instabilität des Genoms. Schädigungen des Erbguts können sich z. B. durch Defekte in den Reparaturmechanismen anhäufen.7 Solche Defekte können ererbt oder durch zufällige Genveränderungen in BRCA1 und 2 oder anderen Genen, die für Reparaturproteine kodieren, erworben sein. Beispiele für Defekte in Reparaturmechanismen bei verschiedenen Krebserkrankungen zeigt im Überblick Abbildung 4.
Eines der Kennzeichen von Krebs ist die Instabilität des Genoms. Schädigungen des Erbguts können sich z. B. durch Defekte in den Reparaturmechanismen anhäufen.7 Solche Defekte können ererbt oder durch zufällige Genveränderungen in BRCA1 und 2 oder anderen Genen, die für Reparaturproteine kodieren, erworben sein. Beispiele für Defekte in Reparaturmechanismen bei verschiedenen Krebserkrankungen zeigt im Überblick Abbildung 4.
Abb. 4: Defekte in DNA-Reparaturmechanismen bei verschiedenen Krebserkrankungen1Die Defekte in den Reparaturmechanismen können in verschiedenen Tumorentitäten unterschiedlich häufig auftreten. Beispielsweise kann bei Mamma-, Ovarial, Prostata- und Pankreaskarzinomen die homologe Rekombinationsreparatur häufiger gestört sein, während bei kolorektalen Karzinomen eher eine Störung in der Basenfehlpaarungsreparatur (Mismatch-Repair) vorliegen kann. Beim Gliom ist dagegen der einfache Mechanismus des Proofreading (direct reversal repair) gestört, bei Xeroderma pigmentosum die Nukleotidexzision.
Die Störung der homologen Rekombination ist die schwerste Schädigung der Reparaturmechanismen. Die Ursache und mögliche Genomschäden werden auf dieser Website ebenfalls beschrieben.
Die Defekte in den Reparaturmechanismen können in verschiedenen Tumorentitäten unterschiedlich häufig auftreten. Beispielsweise kann bei Mamma-, Ovarial-, Prostata- und Pankreaskarzinomen die homologe Rekombinationsreparatur häufiger gestört sein, während bei kolorektalen Karzinomen eher eine Störung in der Basenfehlpaarungsreparatur (Mismatch-Repair) vorliegen kann. Beim Gliom ist dagegen der einfache Mechanismus des Proofreading (direct reversal repair) gestört, bei Xeroderma pigmentosum die Nukleotidexzision.
Die Störung der homologen Rekombination ist die schwerste Schädigung der Reparaturmechanismen. Die Ursache und mögliche Genomschäden werden auf dieser Website ebenfalls beschrieben.
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