DNA-Reparaturmechanismen korrigieren Schäden am genetischen Material, die durch Umweltfaktoren, Replikationsfehler und normale Stoffwechselprozesse verursacht werden. Ohne diese Systeme wäre die Mutationsrate tausendfach höher und Genominstabilität würde zu Krebs und anderen Krankheiten führen.

Arten von DNA-Schäden

DNA-Schäden entstehen aus mehreren Quellen. Endogene Schäden umfassen die Depurinierung, bei der die glycosidische Bindung zwischen der Base und der Desoxyribose hydrolysiert wird und tausendfach pro Zelle und Tag auftritt. Desaminierung wandelt Cytosin in Uracil um, und oxidative Schäden durch reaktive Sauerstoffspezies erzeugen 8-Oxoguanin und andere modifizierte Basen. Exogene Schäden umfassen ultraviolette Strahlung, die Cyclobutan-Pyrimidin-Dimere verursacht, ionisierende Strahlung, die Einzel- und Doppelstrangbrüche hervorruft, sowie chemische Agenzien wie alkylierende Substanzen und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe.

Basenexzisionsreparatur

Die Basenexzisionsreparatur korrigiert kleine, die Helix nicht verzerrende Läsionen wie oxidierte oder alkylierte Basen. DNA-Glycosylasen erkennen und entfernen die geschädigte Base durch Spaltung der glycosidischen Bindung, wodurch eine apurine oder apyrimidine Stelle entsteht. Die AP-Endonuclease schneidet dann das Rückgrat an der apurinen oder apyrimidinen Stelle. Die DNA-Polymerase beta füllt die Einzelnukleotidlücke und die DNA-Ligase verschließt den Bruch. Der Prozess wird durch schädigungsspezifische Glycosylasen initiiert, die Spezifität für verschiedene Arten von Basenschäden bieten. OGG1 erkennt 8-Oxoguanin und UNG erkennt Uracil in der DNA.

Nukleotidexzisionsreparatur

Die Nukleotidexzisionsreparatur entfernt sperrige, helixverzerrende Läsionen wie Pyrimidin-Dimere und chemische Addukte. Beim Menschen erkennt das XPC-Protein die Verzerrung und TFIIH entwindet die DNA um die Läsion herum. XPG und XPF-ERCC1 setzen Schnitte auf der 3’- und 5’-Seite der Läsion und entfernen dabei ein 24 bis 32 Nukleotide langes Oligonukleotid. Die DNA-Polymerase delta oder epsilon füllt die Lücke und die DNA-Ligase verschließt den Bruch. Defekte in NER-Proteinen verursachen Xeroderma pigmentosum, eine genetische Erkrankung, die durch extreme Sonnenlichtempfindlichkeit und ein tausendfach erhöhtes Hautkrebsrisiko gekennzeichnet ist.

Mismatch-Reparatur

Die Mismatch-Reparatur korrigiert Fehler der DNA-Replikation, die dem Korrekturlesen entgehen, einschließlich falsch eingebauter Basen und Insertions-Deletions-Schleifen durch Polymerase-Rutschen. In E. coli erkennt MutS die Fehlpaarung, MutL rekrutiert die Reparaturmaschinerie und MutH schneidet den neu synthetisierten Strang an hemi-methylierten GATC-Stellen. Das eukaryotische System ist komplexer mit mehreren MutS- und MutL-Homologen. MSH2-MSH6 erkennt Basenfehlpaarungen und kleine Schleifen, während MSH2-MSH3 größere Schleifen erkennt. Defekte in der Mismatch-Reparatur verursachen Mikrosatelliteninstabilität und sind für das Lynch-Syndrom verantwortlich, auch bekannt als hereditäres nicht-polypöses kolorektales Karzinom.

Doppelstrangbruch-Reparatur

Doppelstrangbrüche sind die gefährlichste Art von DNA-Schäden, die Chromosomenumlagerungen und Zelltod verursachen können. Zwei Hauptwege reparieren Doppelstrangbrüche. Das nichthomologe Endjoining ligiert die Bruchenden direkt ohne Sequenzhomologie. Diese Reparaturwege werden von CRISPR-Cas9 für Genomeditierung genutzt. Das Ku70-Ku80-Heterodimer bindet die Bruchenden und rekrutiert DNA-PKcs, das die Enden zusammenbringt. Artemis prozessiert beschädigte Enden und die DNA-Ligase IV verschließt den Bruch. NHEJ ist fehleranfällig und kann kleine Deletionen oder Insertionen einführen. Es ist während des gesamten Zellzyklus aktiv und der dominierende DSB-Reparaturweg in Säugetierzellen.

Die homologe Rekombination nutzt das Schwesterchromatid als Matrize für eine präzise Reparatur. Der MRN-Komplex erkennt Doppelstrangbrüche und initiiert die Resektion der 5’-Enden, wodurch 3’-Einzelstrangüberhänge entstehen. RPA beschichtet die einzelsträngige DNA und BRCA2 lädt RAD51 auf den Überhang, wobei ein Nukleoproteinfilament entsteht, das in die homologe Doppelstrang-DNA eindringt. Die DNA-Synthese verlängert den eindringenden Strang und die reparierte DNA wird durch Spaltung von Holliday-Junctions aufgelöst. HR ist auf die S- und G2-Phase beschränkt, wenn Schwesterchromatiden verfügbar sind. Defekte in HR-Genen, einschließlich BRCA1 und BRCA2, prädisponieren für Brust- und Eierstockkrebs.

DNA-Schadenskontrollpunkte

Zellzyklus-Kontrollpunkte koordinieren die DNA-Reparatur mit dem Zellzyklusfortschritt. Die Kinasen ATM und ATR sind Hauptregulatoren der DNA-Schadensantwort. ATM wird primär durch Doppelstrangbrüche aktiviert, während ATR auf Replikationsstress und einzelsträngige DNA reagiert. Diese Kinasen phosphorylieren CHK1 und CHK2, die wiederum die CDC25-Phosphatasen und p53 phosphorylieren, was zum Zellzyklusarrest führt. Die p53-Aktivierung induziert die Expression von p21, das Cyclin-abhängige Kinasen hemmt und den Zellzyklus anhält, was Zeit für die Reparatur schafft oder bei umfangreichen Schäden die Apoptose auslöst.