DNA-Schäden und DNA-Reparatur

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:

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.