An der DNA kann es durch diverse Stoffe oder Umstände (z. B. Giftstoffe, Lärm, UV-Strahlung etc.) zu Schäden, bzw. Umstrukturierungen kommen. Dabei unterscheidet man generell zwischen endogenen und exogenen Ursachen. Da Fehler in der DNA weitere Folgeschäden nach sich ziehen, gibt es sogenannte Reparaturvorgänge.
Exogene Faktoren sind äußere Einflüsse, wie z. B. ionisierende Strahlung.
Endogenen Faktoren haben ihren Ursprung im Organismus selbst. Dazu zählen beispielsweise Fehler bei der DNA-Replikation.
DNA-Reparatur – Ursachen
Es gibt sowohl endogene als auch exogene Faktoren, die DNA-Schäden verursachen. Mögliche Ursachen sind zum Beispiel:
- ionisierende Strahlungen (wie UV-Licht)
- chemische Mutagene
- freie Radikale
Diese führen zu fehlenden oder veränderten Basen, falschen Basenpaarungen, Insertion oder Deletion von Nucleotiden und Strangbrüchen. Bei einer Insertion werden Basen in die DNA eingebaut. Unter Deletion versteht man hingegen die Abspaltung einer oder mehrerer Basen.
Mehr zu den Folgen von DNA-Schäden kannst Du auch im Kapitel Mutation nachlesen. Aber Achtung: DNA-Schäden und Mutationen sind nicht dasselbe. Stattdessen kann es infolge der DNA-Schäden zu Mutationen kommen.
DNA-Reparatur – Arten
Die wichtigsten DNA-Schäden werden im Folgenden kurz beschrieben.
DNA-Reparatur – Dimerisierung
Bei der Bestrahlung mit UV-Licht können benachbarte Basen eine Strangs Verbindungen eingehen. Diese chemische Reaktion wird Dimerisierung genannt und kommt häufig bei Thymin vor. In diesem Zusammenhang spricht man auch von Thymin-Dimeren oder Thymin-Dimer.
Hier eine Darstellung, damit Du Dir vorstellen kannst, wie die Dimerisierung aussehen kann:
DNA-Reparatur – Methylierung
Bei der Methylierung werden die Stickstoffbasen mit Methyl-Resten modifiziert. Diese Reaktion wird als Alkylierung bezeichnet und wird durch verschiedene Substanzen verursacht. Diese kann endo- oder exogener Natur sein. Die entsprechenden Nucleotide mit Methyl-Resten paaren sich häufig falsch, wodurch es zu Mutationen kommt.
DNA-Reparatur – Depurinyrieung
Depurinyierung ist der Verlust von Purinbasen. Dies kann durch Wärme verursacht werden und führt zur Hydrolyse der Purinbasen. Von Hydrolyse wird gesprochen, wenn sich eine (chemische) Verbindung durch die Zuführung von Wasser in zwei Teile auftrennt.
Als Purinbasen werden die beiden DNA-Basen Guanin und Adenin bezeichnet, da sich diese aus einer Purin-Verbindung ableiten.
DNA-Reparatur – Oxidative Veränderungen
Wie bereits erwähnt, können DNA-Schäden durch Radikale, vor allem Sauerstoffradikale entstehen. Dabei entstehen zahlreiche Basenmodifikationen.
Die freien Radikale sorgen für Veränderungen an den Enzymen, Zellmembranen und Proteinen oder können das Erbgut beschädigen. Zudem können sie an der Entstehung von Krankheiten wie Arteriosklerose (Erkrankung der arteriellen Blutgefäße) oder auch Krebs sowie rheumatischen Beschwerden beteiligt sein.
Bei Radikalen handelt es sich um Atome bzw. Moleküle, die in der Regel besonders reaktionsfreudig sind. Außerdem besitzen Radikale immer mindestens ein ungepaartes Elektron.
DNA-Reparatur – Strangbrüche
Doppelstrangbrüche der DNA-Doppelhelix können ebenfalls durch freie Radikale entstehen. Ursachen dafür sind – neben vielen weiteren – Chemikalien oder Widerstände in der Replikationsgabel, also dem DNA-Abschnitt nach Auftrennung in verschiedene Basenpaare.
DNA-Reparatur – Vorgänge: Basenexzisionsreparatur, Nukleotidexzisionsreparatur & co.
Zellen sind häufig von Mutationen und DNA-Schäden betroffen. Glücklicherweise haben sich im Laufe der Evolution Mechanismen entwickelt, die defekte Stellen mithilfe von Enzymen reparieren.
Es gibt folgende Arten der DNA-Reparatur, die nachfolgend genauer erläutert werden.
DNA-Reparatur – Exzisions-Reparatur
Bei der Exzisionsreparatur, der sogenannten Ausschneidungsreparatur, wird der fehlerhafte DNA-Abschnitt mithilfe des Enzyms Nuklease herausgeschnitten. Die ursprüngliche Nukleotidsequenz ersetzt diesen Abschnitt dann. Es gibt zwei Exzisionsreparaturen: Basenexzisionsreparatur und Nukleotidexzisionsreparatur.
Basenexzisionsreparatur (BER)
Die Basenexzisionsreparatur behebt Fehler in der Basenpaarung der beiden DNA-Stränge. Die Schäden werden durch die spezifische DNA-Glykolase erkannt und entfernt. Anschließend wird durch eine AP-Endonuklease die Lücke erkannt. Diese schneidet zusammen mit einer Phosphodiesterase Desoxyribose und Phosphate heraus. Daraufhin synthetisiert die DNA-Polymerase die korrekte Base, abhängig von der komplementären Base auf dem fehlerfreien Strang. Eine DNA-Ligase verknüpft diese dann mit dem bestehenden Strang. Dadurch wird der Fehler korrigiert.
Die Basenexzisionsreparatur findet oft bei der sogenannten Desaminierung statt. Dabei befindet sich z.B. statt Cytosin Uracil in der DNA.
Nukleotidexzisionsreparatur (NER)
Bei der Nukleotidexzisionsreparatur werden nicht einzelne Basen, sondern Veränderungen der DNA-Konformation, erkannt. Anschließend werden größere Abschnitte des Einzelstrangs entfernt und neu synthetisiert. Unabhängig von der Art des Schadens wird immer ein Segment von 24 bis 32 Nukleotiden aus dem beschädigten Strang entfernt. Hierfür verantwortlich ist der Transkriptionsfaktor TFIH. Da es sich hierbei um einen Transkriptionsfaktor handelt, findet diese DNA-Reparatur meist an aktiven und gerade transkribierten Genen statt. Die Lücke wird dann durch DNA-Polymerasen und DNA-Ligasen geschlossen.
Was passiert, wenn dieser Reparaturvorgang defekt ist? Es gibt Krankheiten, bei dem dieser Reparaturvorgang defekt ist. Als Beispiel dafür kannst dir die Erkrankung Xeroderma pigmentosum merken. Die Betroffenen sind anfälliger für Hautkrebs, da sie sehr empfindlich auf UV-Strahlung reagieren.
DNA-Reparatur – Postreplikations-Reparatur
Bei der Postreplikations-Reparatur werden fehlerhafte Stellen in der DNA bei der Replikation ausgelassen. Die nicht-reparierten Nucleotide können durch Enzyme der Replikation umgangen werden. Dabei beenden DNA-Polymerasen die Replikation an der fehlerhaften Stelle und nehmen die DNA-Synthese nach einem gewissen Abstand wieder auf. So entsteht ein DNA-Doppelstrang mit mehreren Lücken. Die Lücken in der DNA werden dann durch Rekombination mit intakten DNA-Abschnitten repariert.
DNA-Reparatur – Fotoreaktivierung
Bei der Fotoreaktion beseitigt ein Enzym unter Aufnahme von Licht die durch UV-Strahlung ausgelöste Dimerisierung von Thyminbasen. Diese würde nämlich zu einem Stopp der Replikation führen. Für die Fotoreaktivierung bindet das Enzym Fotolyase an ein Thymin-Dimer und spaltet diese bei Bestrahlung mit Licht in die Monomere. Diese sind dann wieder fähig, sich mit komplementären Basen zu paaren.
Bei Monomeren handelt es sich um reaktionsfähige Moleküle, die eine niedrige molekulare Masse aufweisen.
Die Enzyme, die hierfür zuständig sind, heißen DNA-Fotolyasen. Sie werden bei Licht aktiviert und können beispielsweise Thymin-Dimere oder eine Methylierung der Nucleotide reparieren. Die überschüssige Methylgruppe wird durch Methyltransferasen gebunden, sodass die DNA-Base wieder in ihrem ursprünglichen Zustand ist.
Dieser Reparaturvorgang existiert übrigens nicht bei Menschen, da wir keine Fotolyasen besitzen.
Um Dir die Fotoreaktivierung besser vorstellen zu können, schau Dir am besten diese Darstellung an:
DNA-Reparatur – SOS-Reparatur
Die SOS-Reparatur kommt bei Bakterien wie Escherichia coli vor. Sie wird nur bei extremen Notfallsituationen (intensive UV-Bestrahlung) induziert, da sie fehlerhaft verläuft.
Als Folge einer DNA-Schädigung kommt eine einzelsträngige DNA vor. Dabei wird das recA-Protein aktiviert. Dieses spaltet und deaktiviert verschiedene Repressorproteine, die die Expression von Genen ermöglichen, die an der DNA-Reparatur beteiligt sind.
Unter anderem codieren sie für Endonucleasen. Die Endonuclease zerschneidet den DNA-Strang dann beidseitig an einer Schädigung. An dieser Stelle werden dann beliebige Nucleotide als komplementär eingesetzt. Auf diese Weise kann die Replikation weiterlaufen. Dieser Reparaturmechanismus wird jedoch nur in Notfallsituationen induziert, da hier eine erhöhte Mutationsrate besteht.
DNA-Reparatur – Wichtigkeit von Reparaturvorgängen
DNA-Schäden, die nicht repariert werden, führen zu Sequenzänderungen. Dadurch kann die DNA-Synthese falsch oder überhaupt nicht ablaufen. Als Folge können wichtige Chromosomenbereiche fehlen, die Zellfunktionen gestört sein und Tumore entstehen. Das Erkennen und Beseitigen der DNA-Schäden durch die Reparaturvorgänge ist daher sehr wichtige für jede Zelle.
DNA Reparatur – Das Wichtigste
DNA-Schäden und Veränderungen entstehen z.B. durch UV-Bestrahlung, Mutagene und freie Radikale.
Die wichtigsten Schäden sind: Dimersierung durch UV-Bestrahlung, Methylierung, Depurynierung, Oxidation und Strangbrüche der DNA.
Reparaturvorgänge der DNA sorgen dafür, dass diese DNA-Schäden behoben werden.
Es gibt verschiedene Reparaturvorgänge, wie z.B. die Exzisionsreparatur, die Postreplikations-Reparatur, die Fotoreaktivierung oder auch die SOS-Reparatur.
Reparaturvorgänge sind so wichtig, weil sie verhindern, dass sich DNA-Schäden auf die DNA-Synthese bzw. Replikation auswirken. Fehlerhafte DNA kann zu Störungen in der Zellfunktion, Mutation und Tumorentstehung führen.
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