Wie werden DNA-Schäden repariert?

Einfach ausgedrückt ist die Reparatur von DNA-Schäden das Phänomen der Wiederherstellung beschädigter DNA in Zellen unter Einwirkung vieler Arten von Enzymen. Wenn diese Technologie erfolgreich ist, können wir sie zur Behandlung von Tumoren oder zur rechtzeitigen Bekämpfung der Alterung einsetzen. Sie wird dem Menschen viele Vorteile bringen und kann uns auch helfen, den Mechanismus der Genmutation zu verstehen. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Einführung in die Reparaturmethode für DNA-Schäden.

Reparaturmethode

Fotowiederauferstehung

Wird auch Photoreversal genannt. Dabei handelt es sich um einen Reparaturvorgang, bei dem das Photoreaktivierungsenzym unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht (Wellenlänge 3000–6000 Angström) das Dimer erkennt und darauf einwirkt, wobei es die durch das Licht bereitgestellte Energie nutzt, um den Cyclobutyrylring zu öffnen (Abbildung 2). Photoreaktivierungsenzyme wurden in Lymphozyten und Hautfibroblasten von Bakterien, Hefen, Protozoen, Algen, Fröschen, Vögeln, Beuteltieren und höheren Säugetieren sowie Menschen gefunden. Obwohl diese Reparaturfunktion weit verbreitet ist, handelt es sich dabei hauptsächlich um eine Reparaturmethode, die von niederen Organismen verwendet wird. Mit der Evolution der Organismen wird ihre Rolle geschwächt.

Der Photoreaktivierungsprozess besteht nicht darin, dass das PR-Enzym sichtbares Licht absorbiert, sondern darin, dass sich das PR-Enzym zunächst mit dem Thymindimer auf der DNA-Kette verbindet und einen Komplex bildet. Dieser Komplex absorbiert auf eine bestimmte Weise sichtbares Licht und verwendet Lichtenergie, um die CC-Bindung zwischen den Thymindimeren aufzutrennen. Die Thymindimere werden zu Monomeren und das PR-Enzym dissoziiert von der DNA.

Exzisionsreparatur

Auch als Schneiden und Reparieren bekannt. Es wurde erstmals in Escherichia coli entdeckt und umfasst eine Reihe komplexer enzymatischer DNA-Reparatur- und Replikationsprozesses, die im Wesentlichen aus den folgenden Schritten bestehen: Die Endonuklease erkennt die DNA-Schadensstelle und schneidet am 5'-Ende, woraufhin der Schaden durch die Einwirkung der Exonuklease vom 5'- bis zum 3'-Ende entfernt wird; anschließend wird durch die Einwirkung der DNA-Polymerase ein neues einzelsträngiges DNA-Fragment synthetisiert, wobei die der Schadensstelle entsprechende Komplementärkette als Vorlage dient, um die nach der Exzision verbleibende Lücke zu füllen; schließlich wird durch die Einwirkung der Ligase das neu synthetisierte einzelsträngige Fragment über eine Phosphodiesterkette mit dem ursprünglichen einzelsträngigen Fragment verbunden, um den Reparaturvorgang abzuschließen (Abbildung 3).

Die Exzisionsreparatur beschränkt sich nicht nur auf die Reparatur von Pyrimidin-Dimeren, sondern kann auch andere Arten von Schäden reparieren, die durch Chemikalien usw. verursacht wurden. Basierend auf dem Exzisionsobjekt kann die Exzisionsreparatur in zwei Kategorien unterteilt werden: Basenexzisionsreparatur und Nukleotidexzisionsreparatur. Bei der Basenexzisionsreparatur handelt es sich um einen Prozess, bei dem Glykosylasen zunächst beschädigte Basen erkennen und entfernen, wodurch auf dem DNA-Einzelstrang Leerstellen ohne Purin oder Pyrimidin entstehen. Diese freie Basenposition kann auf zwei Arten besetzt werden: Eine besteht darin, unter Einwirkung von Insertionsenzymen die richtige Base in die freie Position einzufügen; die andere besteht darin, die DNA-Kette am 5'-Ende der Leerstelle unter Katalyse von Nukleasen zu schneiden und dadurch die oben genannte Reihe von Exzisionsreparaturprozessen auszulösen. Es gibt spezielle Glykosylasen zum Erkennen verschiedener Arten von Alkalischäden. Darüber hinaus sind verschiedene Endonukleasen relativ spezifisch darin, unterschiedliche Arten von Schäden zu erkennen.

Die Exzisionsreparaturfunktion ist bei Prokaryonten und Eukaryonten weit verbreitet und stellt auch beim Menschen die wichtigste Reparaturmethode dar. Nagetieren (wie Hamstern und Mäusen) fehlt die Exzisionsreparaturfunktion von Natur aus.

Im Jahr 1978 entdeckte der amerikanische Wissenschaftler JL Marks, dass der Exzisionsreparaturprozess bei Eukaryoten und Prokaryoten aufgrund der unterschiedlichen Chromatinstrukturen unterschiedlich ist. Die DNA-Moleküle von Eukaryoten sind nicht nackt wie die von Prokaryoten, sondern um Histone gewickelt und bilden so eine perlenartige Nukleosomstruktur. Die Exzision von Pyrimidin-Dimeren in Eukaryoten ist in zwei Phasen unterteilt: eine schnelle Exzisionsphase, die etwa 2 bis 3 Stunden dauert und hauptsächlich den beschädigten Teil der DNA herausschneidet, der nicht an Histone gebunden ist; eine langsame Exzisionsphase, die mindestens 35 Stunden dauert und einen Kontrollfaktor erfordert, um den Schaden zu erkennen, sodass der beschädigte Teil der DNA vom Nukleosom freigelegt wird. Anschließend werden eine Reihe von Schritten ausgeführt, um die Exzisionsreparatur abzuschließen. Das reparierte DNA-Molekül wird dann um das Histon gewickelt, um das Nukleosom neu zu bilden.

Rekombinationsreparatur

Die Rekombinationsreparatur beginnt mit der semikonservativen Replikation von DNA-Molekülen. An der Position, die dem Pyrimidindimer entspricht, entsteht eine Leerstelle, da die Replikation nicht normal ablaufen kann. Bei Escherichia coli wurde bestätigt, dass dieser DNA-Schaden die Produktion rekombinanter Proteine ​​induziert. Unter der Einwirkung der rekombinanten Proteine ​​werden die Elternkette und die Tochterkette rekombiniert. Nach der Rekombination kann die Lücke in der ursprünglichen Elternkette durch die Einwirkung der DNA-Polymerase gefüllt werden, um einzelsträngige DNA-Fragmente unter Verwendung der gegenüberliegenden Tochterkette als Vorlage zu synthetisieren. Schließlich werden unter der Einwirkung der Ligase die neue und die alte Kette durch Phosphodiesterbindungen verbunden, um den Reparaturprozess abzuschließen. Die Rekombinationsreparatur ist auch bei Nagetieren die wichtigste Reparaturmethode. Der größte Unterschied zwischen der rekombinanten Reparatur und der Exzisionsreparatur besteht darin, dass bei ersterer der beschädigte Teil des elterlichen DNA-Moleküls nicht sofort entfernt werden muss, sondern sichergestellt werden kann, dass die DNA-Replikation fortgesetzt wird. Der beschädigte Teil, der in der ursprünglichen Elternkette verbleibt, kann im nächsten Zellzyklus durch Exzisionsreparatur repariert werden.

Die wichtigsten Schritte der rekombinogenen Reparatur sind:

1. Kopie

DNA mit TT oder anderen strukturellen Schäden kann sich noch normal replizieren, bei der Replikation an die beschädigte Stelle tritt jedoch an der Position, die der beschädigten Stelle in der Tochter-DNA-Kette entspricht, ein Schnitt auf, und die neu synthetisierte Tochterkette ist kürzer als die unbeschädigte DNA-Kette.

2. Reorganisation

Die intakte Elternkette wird mit der eingekerbten Tochterkette rekombiniert und der Einkerbungsbruch wird durch das Nukleotidfragment der Elternkette aufgefüllt.

3. Resynthese

Nach der Rekombination wird die Lücke in der Elternkette durch die Wirkung der DNA-Polymerase in Nukleinsäurefragmente synthetisiert, und dann wird das neue Fragment durch Ligase mit der alten Kette verbunden, wodurch die Rekombinationsreparatur abgeschlossen wird.

Durch die rekombinatorische Reparatur wird das Dimer nicht aus der elterlichen DNA entfernt. Während der zweiten Replikation verhindert das in der Elternkette verbleibende Dimer immer noch eine normale Replikation. Der Schnitt, der bei der Replikation durch die beschädigte Stelle entsteht, muss noch durch denselben Rekombinationsprozess repariert werden. Während die DNA-Replikation nach mehreren Generationen fortgesetzt wird, wird die beschädigte DNA-Kette allmählich „verdünnt“ und schließlich repariert, ohne die normalen physiologischen Funktionen zu beeinträchtigen, obwohl das Dimer nie entfernt wird.