Einzelstrangbruch
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LoslegenEnglisch: single-strand break, SSB
Definition
Ein Einzelstrangbruch, kurz SSB, ist die Durchtrennung der Nukleotidkette eines einzelnen DNA-Stranges.
Ursachen
Einzelstrangbrüche entstehen sowohl zufällig, als auch als kontrolliertes Zwischenprodukt zellulärer Prozesse:
- Zufällige DNA-Schäden durch Umwelteinflüsse
- Ionisierende Strahlung
- Chemische Mutagene
- Reaktive Sauerstoffspezies (ROS)
- Kontrolliertes Zwischenprodukt
- Basenexzisionsreparatur (BER)
- Nukleotidexzisionsreparatur (NER)
- Strangentwindung durch die Topoisomerase I
Die oben genannten zellulären Prozesse können fehlerhaft ablaufen, wodurch nicht-legierbare Enden entstehen können. Wird die Topoisomerase I beispielsweise durch andere angrenzende DNA-Läsionen in ihrer Funktion gestört, kann es zu einer permanenten kovalenten Verknüpfung mit dem 3'-Ende kommen.[1]
Auswirkungen
Replizierende Zelle
Trifft das Replisom während der S-Phase auf einen Einzelstrangbruch, kann es zu einem Zusammenbruch der Replikationsgabel kommen. Diese Blockade führt im weiteren Verlauf zur Bildung von Doppelstrangbrüchen. Diese kritischen DNA-Schäden werden jedoch meist zuverlässig durch homologe Rekombination repariert.
Nicht-replizierende Zelle
Einzelstrangbrüche werden sehr effizient erkannt und repariert. Jedoch kann eine hohe Anzahl von parallel auftretenden Schäden diesen Mechanismus erschöpfen, wodurch Brüche akkumulieren. In gesunden Zellen löst das den Zelltod aus (Apoptose). In Krebszellen führt dies zu genetischer Instabilität und weiterer Entartung der Zelle (Karzinogenese).
Reparatur
Die freien Strangenden werden sehr schnell durch das Enzym PARP1 erkannt und gebunden, das daraufhin lange Poly-ADP-Ribose-Ketten synthetisiert. Diese dienen als Bindungsstelle für weitere Reparaturfaktoren. Das Enzym XRCC1 bildet dabei ein Gerüst für die Reparaturproteine PNKP und APTX. PNKP phosphoryliert 5'-Hydroxylgruppen oder entfernt 3'-Phosphatgruppen, um kompatible Strangenden zu erzeugen.[2] APTX entfernt Adenylierungen vom 5'-Ende, die durch eine fehlerhafte Ligasenfunktion entstanden sind,[3] während APE1 3'-Phosphoglykolat-Termini abschneidet, die durch einen Zerfall der Desoxyribose entstehen können.[4]
Sind die Enden aufbereitet, ergänzt die Polymerase β das fehlende Nukleotid, und der Bruch wird durch Ligase III verschlossen (Short-patch-Reparatur). Bei größeren Lücken werden zusätzlich die Polymerasen δ/ε rekrutiert, die über PCNA an die DNA gebunden bleiben; diese Lücken verschließt meist die DNA-Ligase I (Long-patch-Reparatur).
Medizinische Bedeutung
Defekte der Einzelstrangbruchreparatur sind mit mehreren neurologischen Erbkrankheiten assoziiert, da postmitotische Zellen wie Neuronen besonders empfindlich auf akkumulierende Einzelstrangbrüche reagieren. Beispiele sind das SCAN1-Syndrom (TDP1-Defekt), die Ataxia oculomotoria Typ 1 (APTX-Defekt) und die Mikrozephalie mit frühkindlicher Epilepsie (PNKP-Defekt).[1][5]
Therapeutisch wird die zentrale Rolle von PARP1 ausgenutzt: PARP-Inhibitoren blockieren die Einzelstrangbruchreparatur und führen in Tumoren mit gestörter homologer Rekombination zu einer synthetischen Letalität.
Quellen
- ↑ 1,0 1,1 Caldecott KW. Single-strand break repair and genetic disease. Nat Rev Genet. 2008;9(8):619-631.
- ↑ Jilani A et al. Molecular cloning of the human gene, PNKP, encoding a polynucleotide kinase 3'-phosphatase and evidence for its role in repair of DNA strand breaks caused by oxidative damage. J Biol Chem. 1999;274(34):24176-24186.
- ↑ Tumbale P et al. Aprataxin resolves adenylated RNA-DNA junctions to maintain genome integrity. Nature. 2014;506(7486):111-115.
- ↑ Winters TA et al. Removal of 3'-phosphoglycolate from DNA strand-break damage in an oligonucleotide substrate by recombinant human apurinic/apyrimidinic endonuclease 1. Nucleic Acids Res. 1994;22(10):1866-1873.
- ↑ Caldecott KW. Causes and consequences of DNA single-strand breaks. Trends Biochem Sci. 2024;49(1):68-78.