DNA-Schäden und -Reparatur
Zu den chemischen und physikalischen Stoffen, die DNA-Schäden verursachen können, gehören ionisierende Strahlung, ultraviolettes Licht, Alkylierungsmittel, Wasserstoffionen und Hydroxyradikale.
UV-induzierte DNA-Schäden und -Reparatur
DNA-Schäden
Die Purin- und Pyrimidinbasen der Nukleinsäuren absorbieren UV-Strahlung in hohem Maße. UV-Licht kann anhand der Wellenlänge in drei Gruppen eingeteilt werden: UV-A (315-400nm), UV-B (280-315nm) und UV-C (280 nm). UV-Licht mit längerer Wellenlänge (UV-A und UV-B) beeinträchtigt die DNA erheblich. Neben UV-Licht sind auch andere exogene Faktoren wie ionisierende Strahlung und endogene Faktoren wie freie Radikale dafür bekannt, die Integrität des Genoms zu beeinträchtigen. DNA-Schäden führen zu verschiedenen Ereignissen:
Fehlinkorporation von Basen
- Deaminierung, Depurinierung und Depyrimidinierung von Basen
- Oxidative Schädigung
- Alkylierung von Basen
- Einzel- oder Doppelstrangbrüche
Die wichtigsten Klassen mutagener DNA-Läsionen, die durch UV-Strahlung induziert werden, sind jedoch Cyclobutan-Pyrimidin-Dimere (CPDs) und 6-4-Photoprodukte (6-4PPs). Diese Dimere und Photoprodukte führen zu Replikationsstillständen und Doppelstrangbrüchen. Unter den verschiedenen Arten von DNA-Schäden sind Doppelstrangbrüche die gefährlichsten, da sie beide DNA-Stränge betreffen und zum Verlust von genetischem Material führen können.
DNA-Reparatur
DNA-Doppelstrangbrüche können über zwei Hauptwege repariert werden: homologe Rekombination und nicht homologes Endverbindung. Bei einfachen Eukaryonten wie Hefe ist die homologe Rekombination der wichtigste Weg, während bei höheren Eukaryonten wie Säugetieren die nicht homologe Endverbindung der wichtigste Weg ist.
An der homologen Rekombination sind mehrere Proteine beteiligt, wie das Rad52-Protein, der MRE11-Rad50-NSB1-Komplex und Rad51. Bei der homologen Rekombination wird eine Beziehung zwischen der geschädigten DNA und einem unbeschädigten DNA-Molekül hergestellt, mit dem es Sequenzhomologien teilt. Dieses unbeschädigte DNA-Molekül wird als Vorlage für die DNA-Reparatur verwendet. Die Schritte der homologen Rekombination sind wie folgt:
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Nukleotidrestriktion der geschädigten DNA durch den Komplex MRE11-Rad50-NSB1.
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Bindung von 3'-einzelsträngiger DNA durch einen heptameren Ringkomplex, der durch das Rad52-Protein gebildet wird.
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Interaktion zwischen Rad51 und Rad52 zur Stimulierung der DNA-Strang-Austauschaktivität von Rad51.
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Das Rad51-Protein katalysiert den Strangaustausch zwischen beschädigter DNA und DNA-Vorlage und verdrängt dabei einen Strang als D-Schleife.
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Die Polymerase füllt die Lücke der DNA-Doppelstrangbrüche.
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Die resultierende Struktur wird durch die Holiday Junction aufgelöst.
Rad52
Das Rad52-Protein in Sacchromyces cerevisae spielt eine wichtige Rolle bei der Reparatur von Doppelstrangbrüchen durch homologe Rekombination. Rad52 bildet einen heptameren Ring, der die DNA-Annealing katalysiert und die Rad51-vermittelte Stranginvasion vermittelt. Das Rad52-Protein schützt auch die 3'-Einzelstrang-DNA vor exonukleolytischer Verdauung im Prozess der homologen Rekombination.