Einzelstrangbruch

Englisch: single-strand break(SSB)

Definition

Ein Einzelstrangbruch bezeichnet die Durchtrennung der Nukleotidkette eines einzelnen DNA-Stranges.

Ursachen

Zufällige DNA-Schäden durch Umwelteinflüsse:
- Ionisierende Strahlung
- Chemische Mutagene
- Reaktive Sauerstoffspezies (ROS)
Kontrolliertes Zwischenprodukt:
- Base-Excision-Repair (BER)
- Nucleotide-Excision-Repair (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 dies zu einem Zusammenbruch der Replikationsgabel führen. Diese Blockade kann im weiteren Verlauf zur Bildung von Doppelstrangbrüchen führen. 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.
PARP1 synthesiert lange Poly-ADP-Ribose Ketten, die als Bindungstelle für weitere Reparaturfaktoren dient.
Das Enzym XRCC1 bildet 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 fehlerhafte Ligasenfunktion entstanden sind.^[3] APE1 schneidet 3’-Phophoglykolat Termini, die durch einen Zerfall der Desoxyribose entstehen können.^[4]
Das fehlende Nukleotid wird schließlich durch Polymerase β ergänzt und der Bruch durch Ligase III verschlossen. Bei größeren Lücken werden außerdem die Polymerasen δ/ε rekrutiert, die durch PCNA an die DNA gebunden bleiben. Diese größeren Lücken werden meist durch DNA-Ligase I verschlossen.

Quellen

↑ Caldecott, K. W. Single-strand break repair and genetic disease. Nat Rev Genet 9, 619-631, doi:10.1038/nrg2380 (2008)
↑ 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 274, 24176-24186 (1999)
↑ Tumbale, P., Williams, J. S., Schellenberg, M. J., Kunkel, T. A. & Williams, R. S. Aprataxin resolves adenylated RNA-DNA junctions to maintain genome integrity. Nature 506, 111-115, doi:10.1038/nature12824 (2014)
↑ Winters, T. A., Henner, W. D., Russell, P. S., McCullough, A. & Jorgensen, T. J. Removal of 3'-phosphoglycolate from DNA strand-break damage in an oligonucleotide substrate by recombinant human apurinic/apyrimidinic endonuclease 1. Nucleic Acids Res 22, 1866-1873 (1994).

[1] Caldecott, K. W. Single-strand break repair and genetic disease. Nat Rev Genet 9, 619-631, doi:10.1038/nrg2380 (2008)

[2] 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 274, 24176-24186 (1999)

[3] Tumbale, P., Williams, J. S., Schellenberg, M. J., Kunkel, T. A. & Williams, R. S. Aprataxin resolves adenylated RNA-DNA junctions to maintain genome integrity. Nature 506, 111-115, doi:10.1038/nature12824 (2014)

[4] Winters, T. A., Henner, W. D., Russell, P. S., McCullough, A. & Jorgensen, T. J. Removal of 3'-phosphoglycolate from DNA strand-break damage in an oligonucleotide substrate by recombinant human apurinic/apyrimidinic endonuclease 1. Nucleic Acids Res 22, 1866-1873 (1994).

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