DNA-Reparatur

Ein Reparaturmechanismus, der bei der DNA-Replikation zum Tragen kommen kann, ist das sogenannte Proofreading (engl. für Korrekturlesen). Beim Menschen korrigieren nur die Polymerasen δ und ε (und γ in den Mitochondrien) in 3'-5'-Richtung direkt Fehler, die sie selbst verursacht haben. Die Replikationsgeschwindigkeit liegt beim Menschen bei ca. 50 Nukleotiden pro Sekunde, verglichen mit ca. 1.000 Nukleotiden pro Sekunde bei Bakterien. Auch bei Bakterien besitzen jedoch nicht alle Polymerasen eine Korrekturlesefunktion, v.a. den Transläsionspolymerasen fehlt diese.

Ein DNA-Doppelstrangbruch ist die kritischste Beschädigung der DNA, da die Gefahr weitreichender Chromosomenumlagerungen besteht und die Reparatur oft fehlerbehaftet ist.^[2] Es existieren mehrere Reparaturmechanismen, die der Zelle zur Verfügung stehen und vom Zellzyklus und der Art, wie die freien DNA-Enden beschnitten werden, abhängig sind.

Die Nicht-homologe Endverknüpfung (NHEJ) ist der häufigste Reparaturmechanismus für Doppelstrangbrüche und sequenzunabhängig. Er fügt DNA-Enden zusammen, unabhängig davon ob Sequenzen verloren gegangen sind, und gilt daher als fehlerbehaftet. Die NHEJ steht der Zelle in jeder Phase des Zellzyklus zur Verfügung, ist jedoch inhibiert, sobald die Bruchstellen beschnitten werden. Daher ist die NHEJ in der G1-Phase am aktivsten.^[2]

Die homologe Rekombination ist der einzige fehlerfreie Reparaturmechanismus für Doppelstrangbrüche. Er verwendet ein Schwesterchromatid als Vorlage um homologe 3'-Überhänge zu erzeugen, die sich danach wieder anlagern können. Aufgrund der Abhängigkeit vom Vorliegen der Schwesterchromatiden ist die homologe Rekombination auf die späte S-Phase und G2-Phase beschränkt.^[2]

Microhomology-mediated end joining (MMEJ) verwendet kurze homologe Sequenzen (5-25 bp) auf beiden Seiten der Bruchstelle, um die Stränge wieder zu verbinden. Die DNA wird so weit zurückgeschnitten, bis diese Homologien freigelegt sind. Da hierbei sehr große Deletionen entstehen können, besitzt der Mechanismus ein sehr großes Mutationspotential. Gelegentlich wird er daher auch als Back-Up-Prozess charakterisiert, wenn die Reparatur mit anderen Mechanismen nicht möglich ist.

Single-Strand Annealing (SSA) zeigt viele Ähnlichkeiten zu MMEJ. Die Stränge werden ebenfalls bis zu einer homologen Sequenz zurückgeschnitten, jedoch bestehen diese Sequenzen aus Tandem Repeats. Wie beim MMEJ können dadurch sehr große Deletionen entstehen. Es wird diskutiert, ob es sich beim SSA um eine Unterform des MMEJ handelt. Obwohl einige Proteine in beiden Mechanismen vorkommen, tendieren die meisten Studien mittlerweile dazu, das SSA als eigenständigen Prozess zu betrachten.

Ein Einzelstrangbruch kann als natürliches Zwischenprodukt zellulärer Vorgänge oder durch Mutagene entstehen. Ein Einzelstrangbruch tritt sehr häufig in der Zelle auf und kann fast immer zuverlässig repariert werden. Freie DNA-Enden werden durch die Zelle erkannt. Der wichtigste Schritt der Reparatur ist die Erzeugung von kompatiblen 5‘- und 3‘-Enden, die durch eine DNA-Polymerase und eine DNA-Ligase wieder verbunden werden können.

Die Fehlpaarungsreparatur erkennt Fehlpaarungen und entfernt diese durch Exonukleasen. Die Lücke wird durch DNA-Polymerasen und DNA-Ligasen verschlossen. Die Besonderheit an diesem Mechanismus ist, dass die Zelle unterscheiden kann, welcher der neusynthetisierte fehlerhafte DNA-Strang ist.

Trifft eine DNA-Polymerase während der Replikation auf ein Hindernis in der DNA (Basenmodifikation, Pyrimidin-Dimer) kann dies zum Zusammenbruch der Replikationsgabel führen. Dies kann durch die Transläsionssynthese verhindert werden. Für wenige Nukleotide wird die DNA-Polymerase durch eine weniger zuverlässige DNA-Polymerase getauscht. Diese kann trotz des Hindernisses die DNA-Synthese fortsetzen. Nach einigen Nukleotiden wird sie wieder durch die normale DNA-Polymerase ersetzt.

Der Fanconi-Anämie-Pathway repariert zytotoxische Interstrand Crosslinks (ICLs), die durch Crosslinker in die DNA eingeführt wurden. Er ist einer der komplexesten Reparaturmechanismen der Zelle, da er Charakteristiken der homologen Rekombination, Nukleotid-Exzisionsreparatur und Transläsionssynthese aufweist.

Eine chemisch modifizierte Nukleobase kann innerhalb der DNA zu Punktmutationen durch Transversionen führen. Verbleibt sie bis zur Replikation unrepariert, kann dies zum Zusammenbruch der Replikationsgabel und zu Doppelstrangbrüchen führen. Es existieren verschiedene Reparaturmechanismen.

Die Nukleotidexzisionsreparatur (NER) ist einer der wichtigsten Reparaturmechanismen der Zelle. Er erkennt keine spezifische Beschädigung, sondern Veränderungen in der DNA-Konformation, wie sie durch modifizierte Basen oder DNA-Addukte wie Pyrimidin-Dimere entstehen. Unabhängig von der Art des Schadens wird immer ein 24–32 Nukleotide langes Segment aus dem beschädigten Strang entfernt. Die Lücke wird durch DNA-Polymerasen und DNA-Ligasen verschlossen.

Zahlreiche Basenmodifikationen werden durch die Basenexzisionsreparatur (BER) korrigiert. Glykosylasen erkennen spezifische Modifikationen und entfernen die beschädigte Base. Es entsteht kurzfristig eine abasische Stelle (Englisch: "abasic site"). Beschädigungen für die keine Glykosylase existieren, werden nicht repariert.

Einige Modifikationen wie O-6-Methylguanin (Methylierung von Guanin) können auch direkt rückgängig gemacht werden. Das Enzym O-6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase entfernt hier die zusätzliche Methylgruppe, ohne die Base zu entfernen.

Pyrimidin-Dimere können durch einen weiteren Mechanismus aufgelöst werden, die Photoreaktivierung. Eine Photolyase wird durch Licht angeregt und überträgt temporär ein Elektron auf das Dimer, wodurch die Bindung aufgebrochen wird. Dieser Mechanismus existiert aber nur in niederen Organismen, der Mensch besitzt keine Photolyasen.

Gestörte DNA-Reparaturmechanismen führen zu fehlerhafter DNA-Replikation und zur Anfälligkeit gegenüber mutagenen Einflüssen, die mit dem natürlichen Alterungsprozess, aber auch mit der Entstehung von Tumoren assoziiert sind.^[1]

Defekte einzelner Reparaturwege sind mit charakteristischen Krankheitsbildern verknüpft:

• Xeroderma pigmentosum – Defekt der Nukleotidexzisionsreparatur mit stark erhöhter UV-induzierter Hauttumorneigung
• Lynch-Syndrom – Defekt der Fehlpaarungsreparatur
• Fanconi-Anämie – Defekt des Fanconi-Anämie-Pathways
• Ataxia teleangiectatica – gestörte DNA-Schadensantwort auf Doppelstrangbrüche
• hereditäres Mammakarzinom und Ovarialkarzinom – BRCA1-/BRCA2-Mutationen mit defekter homologer Rekombination

Defekte der DNA-Reparatur werden gezielt therapeutisch ausgenutzt. Tumoren mit Defekten der homologen Rekombination (z.B. BRCA-mutierte Karzinome) sind gegenüber PARP-Inhibitoren empfindlich, da die zusätzliche Hemmung der Einzelstrangbruchreparatur zu einer synthetischen Letalität führt.^[3] Auch die Wirkung von Strahlentherapie und vielen Zytostatika beruht auf der Induktion irreparabler DNA-Schäden.^[4]