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7.10A: DNA-Reparatur - Biologie

7.10A: DNA-Reparatur - Biologie



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Die meisten Fehler während der Replikation werden durch DNA-Polymerase während der Replikation oder durch Reparaturmechanismen nach der Replikation korrigiert.

LERNZIELE

Erklären, wie Fehler während der Replikation repariert werden

Wichtige Punkte

  • Enzyme zur Reparatur von Fehlpaarungen erkennen falsch eingebaute Basen, entfernen sie aus der DNA und ersetzen sie durch die richtigen Basen.
  • Bei der Nukleotidexzisionsreparatur entfernen Enzyme falsche Basen mit wenigen umgebenden Basen, die mit Hilfe einer DNA-Polymerase und der Template-DNA durch die richtigen Basen ersetzt werden.
  • Wenn Replikationsfehler nicht korrigiert werden, können sie zu Mutationen führen, die manchmal schwerwiegende Folgen haben können.
  • Punktmutationen, bei denen eine Base durch eine andere ersetzt wird, können still sein (keine Wirkung) oder können leichte bis schwere Wirkungen haben.
  • Mutationen können auch Insertionen (Addition einer Base), Deletion (Verlust einer Base) oder Translokation (Bewegung eines DNA-Abschnitts an eine neue Stelle auf demselben oder einem anderen Chromosom) beinhalten.

Schlüsselbegriffe

  • Reparatur von Fehlanpassungen: ein System zum Erkennen und Reparieren bestimmter Formen von DNA-Schäden und fehlerhafter Insertion, Deletion oder Fehleinbau von Basen, die während der DNA-Replikation und -Rekombination auftreten können
  • Nukleotidexzisionsreparatur: ein DNA-Reparaturmechanismus, der Schäden durch UV-Strahlung korrigiert, einschließlich Thymindimeren und 6,4-Photoprodukten, die sperrige Verzerrungen in der DNA verursachen

Fehler während der Replikation

Die DNA-Replikation ist ein sehr genauer Prozess, aber gelegentlich können Fehler auftreten, wenn eine DNA-Polymerase eine falsche Base einfügt. Nicht korrigierte Fehler können manchmal zu schwerwiegenden Folgen wie Krebs führen. Reparaturmechanismen können die Fehler korrigieren, aber in seltenen Fällen werden Fehler nicht korrigiert, was zu Mutationen führt; in anderen Fällen sind Reparaturenzyme selbst mutiert oder defekt.

Mutationen: In diesem interaktiven Modus können Sie einen DNA-Strang „bearbeiten“ und eine Mutation verursachen. Schauen Sie sich die Effekte an!

Die meisten Fehler bei der DNA-Replikation werden umgehend von der DNA-Polymerase korrigiert, die die gerade hinzugefügte Base Korrektur liest. Beim Korrekturlesen liest der DNA-Pol die neu hinzugefügte Base, bevor die nächste hinzugefügt wird, damit eine Korrektur vorgenommen werden kann. Die Polymerase prüft, ob die neu hinzugefügte Base korrekt mit der Base im Matrizenstrang gepaart wurde. Wenn es die richtige Base ist, wird das nächste Nukleotid hinzugefügt. Wurde eine falsche Base hinzugefügt, schneidet das Enzym an der Phosphodiesterbindung und setzt das falsche Nukleotid frei. Dies wird durch die Exonuklease-Wirkung von DNA pol III durchgeführt. Sobald das falsche Nukleotid entfernt wurde, wird wieder ein neues hinzugefügt.

Einige Fehler werden während der Replikation nicht korrigiert, sondern nach Abschluss der Replikation korrigiert. Diese Art der Reparatur wird als Mismatch-Reparatur bezeichnet. Die Enzyme erkennen das falsch hinzugefügte Nukleotid und schneiden es heraus; diese wird dann durch die richtige Basis ersetzt. Bleibt dies unkorrigiert, kann dies zu dauerhafteren Schäden führen. Wie erkennen Mismatch-Repair-Enzyme, welche der beiden Basen die falsche ist? In E coli, nach der Replikation erhält die stickstoffhaltige Base Adenin eine Methylgruppe; der elterliche DNA-Strang weist Methylgruppen auf, während sie dem neu synthetisierten Strang fehlen. Somit ist die DNA-Polymerase in der Lage, die falsch eingebauten Basen aus dem neu synthetisierten, nicht methylierten Strang zu entfernen. Bei Eukaryoten ist der Mechanismus nicht sehr gut verstanden, aber es wird angenommen, dass er die Erkennung von unversiegelten Kerben im neuen Strang sowie eine kurzfristige fortgesetzte Assoziation einiger der Replikationsproteine ​​mit dem neuen Tochterstrang nach erfolgter Replikation beinhaltet vollendet.

Bei einer anderen Art von Reparaturmechanismus, der Nukleotidexzisionsreparatur, ersetzen Enzyme falsche Basen, indem sie sowohl am 3'- als auch am 5'-Ende der falschen Base einen Schnitt vornehmen. Das DNA-Segment wird entfernt und durch die Wirkung von DNA pol durch die korrekt gepaarten Nukleotide ersetzt. Nach dem Auffüllen der Basen wird die verbleibende Lücke mit einer durch DNA-Ligase katalysierten Phosphodiesterbindung verschlossen. Dieser Reparaturmechanismus wird häufig verwendet, wenn UV-Exposition die Bildung von Pyrimidin-Dimeren verursacht.

DNA-Schäden und Mutationen

Fehler bei der DNA-Replikation sind nicht der einzige Grund, warum Mutationen in der DNA entstehen. Mutationen, Variationen in der Nukleotidsequenz eines Genoms, können auch aufgrund von DNA-Schäden auftreten. Solche Mutationen können von zwei Arten sein: induziert oder spontan. Induzierte Mutationen sind solche, die aus einer Exposition gegenüber Chemikalien, UV-Strahlen, Röntgenstrahlen oder anderen Umwelteinflüssen resultieren. Spontane Mutationen treten ohne Exposition gegenüber Umwelteinflüssen auf; Sie sind das Ergebnis natürlicher Reaktionen im Körper.

Mutationen können vielfältige Auswirkungen haben. Einige Mutationen werden nicht exprimiert; diese werden als stille Mutationen bezeichnet. Punktmutationen sind solche Mutationen, die ein einzelnes Basenpaar betreffen. Die häufigsten Nukleotidmutationen sind Substitutionen, bei denen eine Base durch eine andere ersetzt wird. Diese können von zwei Arten sein: Übergänge oder Transversionen. Übergangssubstitution bezieht sich auf ein Purin oder Pyrimidin, das durch eine Base der gleichen Art ersetzt wird; zum Beispiel kann ein Purin wie Adenin durch das Purin Guanin ersetzt werden. Transversionssubstitution bezieht sich auf das Ersetzen eines Purins durch ein Pyrimidin oder umgekehrt; Cytosin, ein Pyrimidin, wird beispielsweise durch Adenin, ein Purin, ersetzt. Mutationen können auch das Ergebnis des Hinzufügens einer Base, bekannt als Insertion, oder das Entfernen einer Base, bekannt als Deletion, sein. Manchmal kann ein DNA-Stück von einem Chromosom auf ein anderes Chromosom oder in eine andere Region desselben Chromosoms verlagert werden.


DNA-Reparatur: Definition und Mechanismen | Genetik

In diesem Artikel werden wir die Definition und die Mechanismen der DNA-Reparatur diskutieren.

Definition der DNA-Reparatur:

Eines der Hauptziele des biologischen Systems besteht darin, die Basensequenzen der DNA von einer Generation zur anderen zu erhalten. Veränderungen der DNA-Sequenz entstehen während der Replikation von DNA-Schäden durch chemische Mutagene und Strahlung. Wenn während der Replikation falsche Nukleotide hinzugefügt wurden, werden sie durch das Editiersystem von DNA Pol I und DNA Pol III korrigiert.

Die anderen Systeme existieren auch zum Korrigieren der durch die Editierfunktion verpassten Fehler. Es wird als Mismatch-Reparatursystem bezeichnet. Das Mismatch-Reparatursystem bearbeitet die von DNA Pol I und DNA III hinterlassenen Fehler und entfernt die falschen Nukleotide. Korrekturlesen von Pol I und III.

DNA wird immer durch verschiedene Chemikalien und Strahlung beschädigt und mutiert. Nur wenige Fehler häufen sich in der DNA-Sequenz an. Die stabilen Fehler verursachen Mutationen und der Rest wird eliminiert. Werden Fehler in der DNA-Sequenz vor der Zellteilung korrigiert, tritt keine Mutation auf. Es gibt jedoch einige DNA-Schäden, die nicht mutiert werden können, weil die Schäden nicht repliziert werden. Daher verursachen solche Schäden den Zelltod.

Es gibt verschiedene Arten von Schäden, die in der DNA auftreten:

(a) Modifikation einer oder mehrerer Basen durch hochreaktive Chemikalien wie Alkylierungsmittel wie Nitrosoamin und Nitrosoguanidin,

(b) Verlust von Purinbasen aufgrund lokaler pH-Änderung,

(c) Einzellitzen- oder Doppellitzenbruch aufgrund von Biege- oder Scherkräften,

(d) Dimerbildung (Dimerisierung) zwischen zwei benachbarten Pyrimidinmolekülen (z. B. T-T) aufgrund von Ultraviolett- und Röntgenstrahlung.

Aufgrund der Dimerisierung soll keine Wasserstoffbrücke mit entgegengesetztem Purin auftreten. Dies führt zu einer Verzerrung der Helix. Die meisten der spontanen Fehler sind vorübergehend, weil sie bald durch einen Prozess namens DNA-Reparatur korrigiert werden.

Mechanismen von DNA-Reparatur:

Es gibt vier Hauptwege, über die Thymin-Thymin-Dimer in DNA repariert wird: lichtinduzierte Reparatur (Photoreaktivierung) und lichtunabhängige Reparatur (Dunkelregeneration).

(i) Foto-Reaktivierung:

Die in den Zellen verursachten UV-Schäden werden repariert, nachdem die Zellen dem sichtbaren Licht ausgesetzt wurden. Dies wird als Photoreaktivierung bezeichnet. Bei diesem Mechanismus spaltet eine Enzym-DNA-Photolyase das T-T-Dimer und kehrt in das monomere Stadium um (Abb. 9.17). Dieses Enzym wird nur aktiviert, wenn es sichtbarem Licht ausgesetzt wird.

Den mutierten Zellen fehlt die Photolyase. Dieses Enzym absorbiert Energie, bindet den Cyclobutanring an defekte Stellen der DNA und fördert die Spaltung kovalenter Bindungen, die zwischen T-T gebildet werden. Dieses Enzym kommt in mehreren Bakterien und Plazenta-Säugetieren vor. Schließlich werden Thyminreste befreit und Schäden repariert.

Einige andere Photolyasen katalysieren die DNA-Reparatur auf andere Weise. Das 6-4-Photoprodukt-Photolyase repariert den DNA-Schaden, d. h. das 6-4-Photoprodukt, das durch UV-Strahlen verursacht wird. Das 6-4-Photoprodukt wird aufgrund der Bildung einer C4-C6-Bindung zwischen zwei benachbarten Pyrimidinen oder aufgrund der Migration eines Substituenten von der C4-Position eines Pyrimidins zur C6-Position des angrenzenden Pyrimidins gebildet. Die C4-Photoprodukt-Photolyase korrigiert beide Fehler.

In Bacillus subtilis entsteht nach UV-Bestrahlung ein Sporenphotoprodukt (5-Thyminyl-5,6-di-hydro-thymin), jedoch keine Cyclobutandimeren. In einer lichtunabhängigen Reaktion wird das Photoprodukt Lyase gebildet, das die C-C-Bindung zwischen den beiden Thyminen repariert.

(ii) Exzisionsreparatur:

Es ist ein enzymatischer Prozess. Bei diesem Mechanismus wird der beschädigte Teil entfernt und durch neue DNA ersetzt. Der zweite DNA-Strang dient als Matrize für die Synthese eines neuen DNA-Fragments.

Die Exzisionsreparatur umfasst DNA unterschiedlicher Länge wie:

(a) Sehr kurze Patch-Reparatur

Die sehr kurze Patch-Reparatur umfasst die Fehlpaarung einer einzelnen Base, während die beiden letzteren Fehlpaarungen in langen DNA-Patches behandeln. Die kurzen und langen Flecken beschädigter DNA-Moleküle werden durch uvr-Gene repariert, zum Beispiel uvr A, B C und D, die Reparatur-Endonuklease kodieren.

(a) Basenexzisionsreparatur:

Die Läsionen mit Nicht-Helix-Verzerrung (z. B. alkylierende Basen) werden durch Basenexzisionsreparatur repariert. Es umfasst mindestens sechs Enzyme, die als DNA-Glykosylasen bezeichnet werden.

Jedes Enzym erkennt mindestens Basen und entfernt vom DNA-Strang. Die Enzyme entfernen desaminiertes Cytosin, desaminiertes Adenin, alkylierte oder oxidierte Base. Der Reparaturweg der Basenexzision beginnt mit einer DNA-Glykosylierung. Zum Beispiel entfernt das Enzym Uracyl-DNA-Glycosylase das fälschlicherweise mit G verbundene Uracyl, das in Wirklichkeit desaminiertes Cytosin ist (Abb. 9.18A).

Dann entfernen AP-Endonuklease (apurinische oder apyriminische Stelle) und Phosphodiesterase Zuckerphosphat. AP-Stellen entstehen durch den Verlust eines Purins oder eines Pyrimidins. Auf der DNA entsteht eine Lücke aus einem einzelnen Nukleotid, die als Template-Primer für die DNA-Polymerase dient, um DNA zu synthetisieren und die Lücke durch DNA-Lygase zu füllen.

(b) Nukleotid-Exzisionsreparatur:

Jede Art von Schaden mit einer großen Veränderung der DNA-Helix, die helikale Veränderungen in der DNA-Struktur verursacht, wird durch diesen Weg repariert. Solche Schäden können durch Pyrimidin-Dimere (T-T, T-C und C-C) entstehen, die durch Sonnenlicht verursacht werden und sich kovalent mit großen Kohlenwasserstoffen (z. B. dem Karzinogen Benzopyren) verbinden.

In E. coli erkennt eine Reparatur-Endonuklease die durch das T-T-Dimer erzeugte Verzerrung und führt zwei Schnitte im Zuckerphosphat-Rückgrat auf jeder Seite des Schadens durch. Das Enzym DNA-Helikasen entfernt Oligonukleotide aus der beschädigten Doppelhelix. DNA-Polymerase III und DNA-Ligase reparieren die in der DNA-Helix entstandene Lücke (Abb. 9.18B).

(c) Rekombinationsreparatur (Tochter-Strang-Gap-Reparatur):

Wenn Exzisionsreparaturmechanismen versagen, ist dieser Mechanismus erforderlich, um Fehler zu reparieren. Dieser Mechanismus funktioniert im viralen Chromosom in der Wirtszelle, deren DNA beschädigt ist. Dieser Mechanismus funktioniert nur nach der Replikation, daher wird er auch als Reparatur nach der Replikation bezeichnet.

Wahrscheinlich katalysiert das RecA-Protein in E. coli den DNA-Strang für den Austausch von sis- und shyter-Strangen. So wird ein einzelsträngiges DNA-Segment ohne Defekt aus einem Strang auf dem homologen DNA-Segment an der Replikationsgabel ausgeschnitten.

Es wird in die Lücke eingefügt, die durch Exzision des Thymin-Dimers entstanden ist (Abb. 9.19). Dann verbindet sich die kombinierte Wirkung von DNA Pol I und DNA Ligase mit dem eingefügten Stück. Die im Donor-DNA-Molekül gebildete Lücke wird auch durch DNA-Pol I und Ligase-Enzyme gefüllt.

(D) Methylierungsgerichtete sehr kurze Patch-Reparatur:

Eine sehr kurze Reparatur (VSP) wird durch die Methylierung von Basen, insbesondere Cytosin und Adenin, erreicht. In E. coli erfolgt die Methylierung von Adenin und in einer Sequenz von -GATC- durch das Enzym Methylase (ein Produkt des dam-Gens) auf beiden DNA-Strängen. Nach der Replikation bleibt nur A von -GATC- des einen Strangs methyliert, während der andere unmethyliert bleibt, bis die Methylase die Methylierung erreicht (Abb. 9.20 A-B).

In E. coli erforderte die Reparaturaktivität vier Proteine, nämlich Mutl, MutS, MutU (UvrS) und MutH durch die Gene mutL, mutS, mutU bzw. mutH. Die mut-Gene sind die Loci, die die Häufigkeit spontaner Mutationen erhöhen. Das unmethylierte -GATC ermöglicht es dem MutL, die Fehlpaarung während der Übergangsphase zu erkennen.

Dies hilft MutS, an Fehlpaarungen zu binden. MutU unterstützt das Abwickeln der einzelsträngigen und einzelsträngigen DNA-bindenden (SSB)-Proteine ​​und behält die strukturelle Topographie des Einzelstrangs bei. MutH spaltet den neu synthetisierten DNA-Strang und das Protein MutU trennt den Fehlpaarungsstrang (A).

Es gibt jedoch einen Methylierungsgradienten entlang des neu synthetisierten Strangs. Die geringste Methylierung tritt an der Replikationsgabel auf. Der Elternstrang ist einheitlich methyliert.

Die methylierten Basen lenken die Exzisionsmechanismen auf den neu synthetisierten Strang, der die falschen Nukleotide enthält (B). Während dieser Übergangszeit arbeitet das Reparatursystem und unterscheidet die alten und neuen Stränge und repariert nur die neuen Stränge.

Die SOS-Reparatur (Save Our Soul) ist ein Bypass-Reparatursystem. Es wird auch Notfallreparatur genannt. Der Schaden in der DNA selbst induziert das SOS-Regulationssystem, das ein komplexer zellulärer Mechanismus ist.

SOS wirkt dort, wo Photodimere gebildet werden, die zum Zelltod führen. SOS ist der letzte Versuch, die Mutation für das Überleben zu minimieren. Es induziert eine Reihe von DNA-Reparaturprozessen. Das SOS-System funktioniert in Abwesenheit einer DNA-Matrize. Daher treten viele Fehler auf, die zur Mutation führen.

Im Allgemeinen bleiben die Gene des SOS-Systems in einem unterdrückten Zustand, der durch ein Protein LexA verursacht wird. Die Repression von SOS wird durch RecA-Protease inaktiviert. Es entsteht nach der Umwandlung von RecA-Protein durch DNA-Schädigung.

DNA-Schäden führen zur Umwandlung von RecA-Protein in RecA-Protease (Abb. 9.21A). RecA-Protease bricht das LexA-Protein (B). Normalerweise hemmt das LexA-Protein das Aktivitäts- oder recA-Gen (C) und die DNA-Reparaturgene (uvrA und umuD) (D).

Schließlich werden DNA-Reparaturgene aktiviert. Das SOS-System repariert den großen Schaden nicht. Wenn die DNA-Reparatur beendet ist, verliert das RecA-Protein seine proteolytische Aktivität. Dann akkumuliert LexA-Protein und bindet an den SOS-Operator und schaltet den SOS-Operator aus (D). Die Unterdrückung ist jedoch nicht vollständig. Daneben wird auch RecA-Protein produziert, das das LexA-Protein inaktiviert.


31 DNA-Reparatur

Die DNA-Replikation ist ein sehr genauer Prozess, aber gelegentlich können Fehler auftreten. Werden diese Fehler nicht korrigiert, kann dies zu einem Mutation: eine Veränderung der DNA-Sequenz. Nicht korrigierte Mutationen können manchmal zu schwerwiegenden Folgen wie Krebs führen. Eine Möglichkeit, wie eine Mutation auftreten kann, besteht darin, dass die DNA-Polymerase eine falsche Base einfügt. Reparaturmechanismen korrigieren diese Fehler in der Regel, können den Fehler jedoch gelegentlich nicht beheben.

Die meisten Fehler während der DNA-Replikation werden von der DNA-Polymerase (dem Enzym, das während der Replikation neue DNA aufbaut) umgehend korrigiert, indem die gerade hinzugefügte Base Korrektur gelesen wird (Abbildung 1). Beim Korrekturlesen liest die DNA-Polymerase die neu hinzugefügte Base, bevor sie die nächste hinzufügt, sodass eine Korrektur vorgenommen werden kann. Die Polymerase prüft, ob die neu hinzugefügte Base korrekt mit der Base im Matrizenstrang gepaart wurde. Wenn es die richtige Base ist, wird das nächste Nukleotid hinzugefügt. Wurde eine falsche Base hinzugefügt, schneidet das Enzym an der kovalenten Bindung und setzt das falsche Nukleotid frei. Sobald das falsche Nukleotid entfernt wurde, wird wieder ein neues hinzugefügt (Abbildung 1).

Abbildung 1 Korrekturlesen durch DNA-Polymerase korrigiert Fehler während der Replikation. Bildnachweis Madeline Price Ball Wikimedia.

Einige Fehler werden während der Replikation nicht korrigiert, sondern nach Abschluss der Replikation (Figur 2). Die Enzyme erkennen das falsch hinzugefügte Nukleotid und schneiden es heraus, das dann durch die richtige Base ersetzt wird. Bleibt dies unkorrigiert, kann dies zu dauerhafteren Schäden führen.

Abbildung 2 Die falsch hinzugefügte Base wird nach der Replikation erkannt. Die Reparaturproteine ​​erkennen diese Base und entfernen sie durch Nukleasewirkung aus dem neu synthetisierten Strang. Die Lücke wird nun mit der korrekt gepaarten Base gefüllt.

Bei einer anderen Art von Reparaturmechanismus ersetzen Enzyme falsche Basen, indem sie auf beiden Seiten der falschen Base einen Schnitt machen (Figur 3). Das DNA-Segment wird entfernt und durch die Wirkung der DNA-Polymerase durch die korrekt gepaarten Nukleotide ersetzt. Sobald die Basen aufgefüllt sind, wird die verbleibende Lücke durch ein Enzym namens DNA-Ligase verschlossen. Dieser Reparaturmechanismus wird häufig verwendet, wenn UV-Exposition dazu führt, dass zwei Thymine miteinander zu einem Thymin-Thymin-Dimer verbunden werden (das kleine –, das die beiden Ts in Abbildung 3 verbindet).

Abbildung 3 Reparatur von Thymindimeren. Nebeneinander liegende Thymine können bei UV-Bestrahlung Thymindimere bilden. In normalen Zellen werden sie herausgeschnitten und ersetzt.

Ein gut untersuchtes Beispiel dafür, dass Fehler nicht korrigiert werden, ist bei Menschen mit Xeroderma pigmentosa (Figur 4). Betroffene Personen haben eine Haut, die sehr empfindlich auf UV-Strahlen der Sonne reagiert. Wenn Individuen UV-Strahlen ausgesetzt sind, werden Thymin-Thymin-Dimere gebildet. Normalerweise könnten diese Dimere herausgeschnitten und repariert werden, aber Menschen mit Xeroderma pigmentosa sind aufgrund eines Defekts in den Reparaturenzymen nicht in der Lage, den Schaden zu reparieren. Die Thymindimere verzerren die Struktur der DNA-Doppelhelix, was zu Problemen bei der DNA-Replikation führt. Menschen mit Xeroderma pigmentosa haben ein höheres Risiko, an Hautkrebs zu erkranken, als Menschen, die diese Erkrankung nicht haben.

Abbildung 4 Xeroderma pigmentosa ist ein Zustand, bei dem die Thymin-Dimerisierung durch UV-Exposition nicht repariert wird. Die Einwirkung von Sonnenlicht führt zu Hautläsionen. (Kredit: James Halpern et al.)

Fehler bei der DNA-Replikation sind nicht der einzige Grund, warum Mutationen in der DNA entstehen. Mutationen können auch aufgrund von DNA-Schäden auftreten. Mutationen können aus einer Exposition gegenüber a . resultieren Mutagen: Chemikalien, UV-Strahlen, Röntgenstrahlen oder andere Umwelteinflüsse. Mutationen können auch ohne Exposition gegenüber Umwelteinflüssen auftreten, sie sind das Ergebnis natürlicher Reaktionen im Körper.

Mutationen können vielfältige Auswirkungen haben. Einige Mutationen haben keinen Einfluss auf das vom Organismus produzierte Protein, diese werden als stille Mutationen bezeichnet. Andere Mutationen können schwerwiegende Auswirkungen auf den Organismus haben (wie die Mutation, die Xeroderma pigmentosa verursacht).

Mutationen in Reparaturgenen können Krebs verursachen. Viele mutierte Reparaturgene wurden mit bestimmten Formen von Bauchspeicheldrüsenkrebs, Dickdarmkrebs und Dickdarmkrebs in Verbindung gebracht. Mutationen können entweder Körperzellen oder Gameten betreffen. Wenn sich viele Mutationen in einer Zelle anhäufen, können sie zu Problemen wie der bei Krebs beobachteten unkontrollierten Zellteilung führen. Findet eine Mutation in einer Geschlechtszelle statt, kann die Mutation an die nächste Generation weitergegeben werden.


Ein neu entdecktes Protein repariert DNA

Bildnachweis: Pixabay/CC0 Public Domain

Forscher der Universität Sevilla haben in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universitäten Murcia und Marburg (Deutschland) ein neues Protein identifiziert, das die Reparatur von DNA ermöglicht. Das fragliche Protein namens Cryptochrom hat sich entwickelt, um diese und andere Funktionen innerhalb der Zelle zu übernehmen.

Ultraviolette Strahlung kann die DNA schädigen und zu Mutationen führen, die die Zellfunktion stören und Krebszellen unkontrolliert wachsen lassen. Unsere Zellen verfügen über DNA-Reparatursysteme, um sich gegen diese Art von Schäden zu wehren. Eines dieser Systeme basiert auf einem Protein, der Photolyase, das mit blauem Licht DNA-Schäden repariert, bevor es zu Mutationen kommt.

Im Laufe der Evolution haben sich die Gene für die Photolyase dupliziert und spezialisiert, wodurch neue Proteine, Kryptochrome, geschaffen wurden, die ihre Fähigkeit zur Wahrnehmung von blauem Licht verfeinert haben und nun andere Funktionen in Zellen erfüllen. Kryptochrome verwenden beispielsweise blaues Licht als Signal, um das Pflanzenwachstum und den Rhythmus zu regulieren, der die tägliche Aktivität (den zirkadianen Rhythmus) bei Pilzen und Tieren steuert.

Die Autoren dieser Studie fanden heraus, dass im Pilz Mucor circinelloides, einem menschlichen Krankheitserreger, Cryptochrome das Protein sind, das für die DNA-Reparatur nach ultravioletter Strahlung verantwortlich ist, eine Funktion, die von der Photolyase übernommen werden sollte. Sie schlagen auch vor, dass Cryptochrome in diesem Pilz ihre Fähigkeit zur Reparatur von DNA während der Evolution von einem angestammten Cryptochrom erworben haben, das nicht in der Lage war, DNA zu reparieren. Diese Entdeckung veranschaulicht, wie sich Proteine ​​mit der Entwicklung ihrer Funktionen ändern.


Studie zeigt strukturelle Veränderungen eines Schlüsselproteins, das an der DNA-Reparatur beteiligt ist

Abb. 1: Kristallstruktur von PARP2 aktiviert durch Bindung an den DNA-Schaden. Von: Aktivierung von PARP2/ARTD2 durch DNA-Schäden induziert Konformationsänderungen, die die Enzymautohemmung lindern

Forscher der Universität Oulu, Finnland, haben zum ersten Mal die molekulare Struktur eines Schlüsselproteins, PARP2, entdeckt, wenn es an beschädigte DNA gebunden ist. PARP2 ist eines der Schlüsselenzyme, die unsere Genome schützen und erhalten, die ständig durch Chemikalien und Strahlung aus unserer Umwelt geschädigt werden. Die neue Studie zeigt im Detail die Struktur eines aktivierten PARP2-Enzyms im Komplex mit Oligonukleotiden, die eine beschädigte DNA nachahmen.

Die neuen Erkenntnisse wurden veröffentlicht in Naturkommunikation.

Die Studie wurde am Biocenter Oulu und an der Fakultät für Biochemie und Molekulare Medizin der Universität Oulu, Finnland, innerhalb der Forschungseinheit Protein- und Strukturbiologie durchgeführt. Das Forschungsteam wird von Professor Lari Lehtiö geleitet.

Die Studie zeigt erstmals, wie PARP2 einen DNA-Schaden erkennt und eine Kaskade von Ereignissen in Gang setzt, die zur DNA-Reparatur führen. Der Nachweis des DNA-Schadens führt zu Veränderungen in der Struktur des Enzyms, die erklären, wie PARP2 beim Nachweis einer DNA-Läsion andere Moleküle binden kann. Dies klärt nicht nur die zuvor berichteten Ergebnisse zu PARP-Enzymen, sondern hilft auch zukünftigen Studien zur DNA-Reparatur.

Die Ergebnisse geben auch Einblicke in die strukturbasierte Entwicklung neuer Krebsmedikamente, die bisher auf einer inaktiven Konformation der PARP-Enzyme beruhten.

„Bei der Auflösung der Struktur waren wir sehr aufgeregt, als wir die Konformationsänderungen sahen, die dieses Enzym während der Aktivierung durchlaufen kann – viel größer, als wir zuvor bei der Erkennung von DNA-Schäden angenommen hatten“, erklärt Professor Lehtiö.

Drei Postdoktoranden, Ezeogo Obaji, Mirko Maksimainen und Albert Galera-Prat, lösten zusammen mit dem Teamleiter die Struktur und validierten sie durch eine Reihe biochemischer und biophysikalischer Messungen.


Was ist DNA-Reparatur?

Das DNA-Polymerase-Enzym führt manchmal versehentlich falsche Basen ein, die die normale Watson-Crick-Basenpaarung der DNA stören. Es gibt auch viele Möglichkeiten von DNA-Schäden während der genetischen Rekombination während der Gametogenese durch meiotische Zellteilung. Werden die Schäden oder Fehler in der DNA in den Körperzellen nicht korrigiert, kann dies zur Entstehung von Krebs oder zum Funktionsverlust von Genen führen. Darüber hinaus werden DNA-Schäden in den Gameten, die nicht behoben werden, durch Nachkommen auf die nächste Generation übertragen. Daher ist die Schädigung des genetischen Materials eine große Bedrohung für alle Organismen. Um diesen Bedrohungen entgegenzuwirken, haben Zellen viele Methoden entwickelt, um verschiedene Arten von DNA-Schäden zu überwinden und zu beheben. Alle diese Methoden werden zusammenfassend als DNA-REPARATUR Mechanismen. Ähnlich wie DNA-Replikation, Transkription und Translation ist auch der Prozess der DNA-Reparatur ein primäres molekulares Ereignis in den Zellen, das für das endgültige Überleben der Zellen und auch für das Überleben des Organismus sehr wichtig ist.

DNA-Reparatur und Nobelpreis für Chemie (2015)

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften verlieh 2015 den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung und Beiträge zum DNA-Reparaturmechanismus. Den Nobelpreis für Chemie teilen sich dieses Jahr drei Wissenschaftler, nämlich Thomas Lindhal, Paul Modrich und Aziz Sancar für ihre „Mechanistischen Studien zur DNA-Reparatur“. Der detaillierte Mechanismus der DNA-Reparatur in den Zellen, den wir heute kennen, ist in erster Linie auf ihre Forschung zurückzuführen. Professor Thomas Lindahl zeigte, dass die DNA ein instabiles Molekül ist, das auch unter physiologischen Bedingungen geschädigt wird. Er identifizierte auch ein völlig neues DNA-Glykosylase-Enzym und beschrieb deren Rolle DNA-Reparaturmechanismen. Professor Paul Modrich hat das Gebiet der Mismatch-Reparatur zunächst in Bakterien und später in Eukaryoten zu einem detaillierten biochemischen Verständnis überführt. Professor Sancar erklärte den Mechanismus der Nukleotidexzisionsreparatur zuerst in Bakterien und später in eukaryontischen Zellen. Er erklärte auch die molekularen Mechanismen hinter dem Photoreaktivierungsprozess, der eine Art lichtabhängiger DNA-Reparaturmechanismus ist. All diese Beiträge halfen uns, die Natur einiger Krankheiten wie Krebs zu verstehen, und sie halfen, neue Therapien gegen viele Krankheiten, einschließlich Krebs, zu entwickeln.

Zerstörerische Kräfte, denen die DNA in der Zelle ausgesetzt ist

Es gibt zwei Kategorien zerstörerischer Kräfte in den Zellen, die die DNA sowohl strukturell als auch chemisch schädigen können. Sie sind:

(1). Interne oder intrinsische Faktoren: sie beinhalten:-

Ø Stoffwechselzwischenprodukte

(2). Externe oder extrinsische Faktoren: sie beinhalten:-

Ø Strahlungen (Röntgen, UV-Strahlen, γ-Strahlen)

Ø Karzinogene/ DNA-Interkalationsmittel

Wie der Name schon sagt, entstehen interne Faktoren innerhalb der Zelle selbst. Reaktive freie Radikale und metabolische Zwischenprodukte oder metabolische Nebenprodukte können die DNA schwer schädigen und spontane Mutationen induzieren. Beispielsweise wird die oxidative Desaminierung von Nukleotiden in den Zellen, die zur Umwandlung von Cytosin in Uracil führt, durch metabolische Zwischenprodukte verursacht. Fehler, die während der DNA-Replikation und -Rekombination auftreten, werden ebenfalls als interne Faktoren betrachtet.

Wichtige externe Faktoren, die die zelluläre DNA schädigen könnten, fallen in zwei Unterkategorien. Unter denen die verschiedenen Arten von Radiant am wichtigsten sind. Strahlungen wie UV-Strahlen, Röntgenstrahlen und -Strahlen können die Struktur und Chemie der DNA stark stören, was zu einer Vielzahl von Mutationsmöglichkeiten führt. In ähnlicher Weise können verschiedene krebserregende Chemikalien, die wir allgemein als DNA-Interkalationsmittel bezeichnen, direkt mit der DNA reagieren und unterschiedliche strukturelle und chemische Veränderungen in der DNA verursachen.

Wenn die normale Konformationschemie der DNA aufgrund eines dieser internen oder externen Faktoren verloren geht, können wir von einer DNA-Läsion sprechen. Wie im Bild geht die normale Konformationssymmetrie der DNA durch die Bildung von Thymin-Dimer durch UV-Licht verloren und dies erzeugte eine Ausbuchtung in einem Strang. Die von Thymindimer produzierte Ausbuchtung kann als DNA-Läsion bezeichnet werden.

Die möglichen strukturellen Läsionen, die der DNA passieren können:

(1). Thymindimerbildung:

Die häufigste strukturelle Läsion in der DNA ist die Bildung von Pyrimidin-Dimer. Es entsteht durch die kovalente Bindungsbildung zwischen zwei benachbarten Pyrimidinresten, wie z. B. zwischen zwei Thymin oder zwei Cytosin oder sehr selten einem Thymin und einem Cytosin. Die Bildung von Pyrimidindimeren wird durch ultraviolette Bestrahlung von DNA verursacht. Unter den drei Arten von Pyrimidin-Dimeren ist die Thymin-Dimer-Bildung die häufigste. Wenn DNA mit UV-Licht getroffen wird, brechen die Wasserstoffbrücken zwischen den beiden Strängen und zwei kovalente Bindungen werden zwischen den beiden Thyminresten gebildet. Die beiden kovalenten Bindungen werden durch das Aufbrechen zweier Doppelbindungen zwischen C5 und C6 benachbarter Thyminreste gebildet. Das Thymin-Dimer wird auch als Cyclobutan-Photodimer oder CPD bezeichnet, da es strukturell dem Cyclobutan-Kern ähnelt. Wenn Thymin-Dimer in der DNA unkorrigiert bleibt, führt dies zu Melanomen, einer Art von Hautkrebs.

(2). Spontane Reinigung von DNA

Dies ist auf die spontane Entfernung von Adenin- oder Guaninresten aus der DNA aufgrund der Spaltung der N-Glycosylbindung zurückzuführen, die die Stickstoffbase mit dem Desoxyribosezucker verbindet. Die Depurination führt zur Bildung einer apurinischen Stelle (AP-Stelle). Die apurinische Stelle stört strukturell die normale Konformation der DNA. Wenn die apurinische Stelle unkorrigiert bleibt, beginnen viele Arten von Krebswachstum im Gewebe.

(3). Spontane Desaminierung von Basen in der DNA

Wie der Name schon sagt, handelt es sich um die Entfernung von Aminogruppen aus den Stickstoffbasen der DNA. Die Desaminierung wird normalerweise durch die oxidative Entfernung der Aminogruppe von den Stickstoffbasen verursacht. Die Desaminierung erzeugt unnatürliche Basen oder eine Veränderung der Basensequenz und führt zu Punktmutationen in der DNA. Unnatürliche Basen sind andere Basen als Adenin, Guanin, Thymin, Cytosin oder Urasil. Hypoxanthin und Xanthin sind die beiden unnatürlichen Basen, die aufgrund spontaner Desaminierung in die DNA eingebaut werden.

Die Desaminierung von Adenin führt zur Bildung von Hypoxanthin. Die Desaminierung von Guanin erzeugt eine weitere unnatürliche Base namens Xanthin. Die Desaminierung von Cytosin erzeugt Uracil. Da Uracil keine DNA-Base ist, zerstört es die normale Watson-Crick-Basenpaarung der DNA. Aufgrund des Fehlens einer Aminogruppe ist die Desaminierung des Thyminrestes nicht möglich. Es gibt noch eine weitere Art der Desaminierung, und zwar die schwerste und gefährlichste. Als Teil des DNA-Regulationsmechanismus wird das meiste Cytosin, das sich in der DNA befindet, an ihrer 5. Position als 5-Methylcytosin methyliert. Die Desaminierung von 5-Methylcytosin produziert Thymin und erzeugt somit eine Punktmutation.

(4). Fehler bei der DNA-Replikation/Rekombination

Dies ist auf den versehentlichen Einbau falscher Basen in die DNA durch die DNA-Polymerase während der DNA-Replikation zurückzuführen. DNA-Polymerase hat auch eine Exonuklease-Aktivität, die normalerweise die falschen Basen entfernt und die richtige Base durch einen Prozess namens „Proof Reading“ einfügt. Manchmal kann die Korrekturlesemethode die falsche Base nicht erkennen und die falsche Base verbleibt in der DNA. Werden diese Fehler nicht korrigiert, kommt es im nächsten Replikationszyklus zu einem Basenwechsel in der DNA und eine Tochter-DNA wird mutiert.

Verschiedene DNA-Reparaturmechanismen in der Zelle:

In diesem Beitrag werden wir nur die Namen der verschiedenen DNA-Reparaturmechanismen erwähnen. Wir haben detaillierte Beiträge mit Video-Tutorials für jeden dieser Reparaturmechanismen.

Bisher sind der Wissenschaft sechs verschiedene Arten von DNA-Reparaturmechanismen bekannt.

(1). Photoreaktivierung: ein lichtabhängiger DNA-Reparaturmechanismus, der Thymindimere entfernt

(2). Basenexzisionsreparatur (BER): nur die beschädigte Base wird aus dem DNA-Strang entfernt oder ausgeschnitten, ohne die normalen Basen zu entfernen

(3). Nukleotidexzisionsreparatur (NER): die beschädigten Basen zusammen mit einem kurzen Stück gesundem Stand wird entfernt und mit korrekten Basen wieder aufgefüllt

(4). Mismatch-Reparatur oder MMR: Wie der Name schon sagt, entfernt es die fehlgepaarten Basen aus der DNA und füllt sie mit den richtigen Basen auf.

(5). Reparatur von Doppelstrangbrüchen: Doppelstrangbruchläsionen werden behoben

(6). Homologie-gerichtete Reparatur: hier findet eine lange DNA-Reparatur durch Rücksprache mit der Sequenz im homologen Chromosom statt

Es gibt eine andere Art von DNA-Reparaturstrategie in den Zellen, die als SOS-Reaktion bezeichnet wird und eigentlich kein DNA-Reparaturmechanismus ist. Die SOS-Antwort wird in den Zellen nach einem schweren DNA-Schaden initiiert. SOS-Antworten lösen viele molekulare Prozesse in den Zellen aus und die DNA-Reparatur ist einer dieser Prozesse.

The repair mechanisms such as, photoreactivation, base excision repair, nucleotide excision repair and mismatch repair, only the damaged strand of the DNA duplex is repaired and the undamaged strand acts as the template strand. However in double strand break repair and homology directed repair, both the strands of a DNA duplex are repaired.


Types of DNA Damage

Based on the source of DNA damage, there are many different types of DNA damages that can occur.

Damages Due to Endogenous Sources

There are mainly five types of DNA damage that are caused by endogenous sources:

Base oxidation (for instance 8-oxo-7 or 8-dihydroguanine, 8-oxo-7), as well as, there could be DNA strand interruptions caused by reactive oxygen species.

Alkylation of bases can happen (mostly methylation) for example formation of 1-methyladenine, 7-methylguanine, 6-O-Methylguanine, etc.

Bulky adduct formation - This occurs due to the covalent bonding of large-sized chemical carcinogens and its main source is heavy cigarette smoking. Few examples of this type are aristolactam I-dA adduct, benzo[a]pyrene diol epoxide-dG adduct, etc.

Hydrolysis of bases - Examples of this are depyrimidination, deamination, and depurination.

Mismatch of bases - This happens because of DNA replication errors where a wrong DNA base gets stitched into a place in a newly forming DNA strand. It could also occur when a DNA base is either skipped or inserted by mistake.

Damages Due to Exogenous Sources

Some examples of DNA damages due to exogenous sources are:

Crosslinking of adjacent thymine and cytokines bases due to UV-B light rays. This results in pyrimidine dimers and is called direct DNA damage.

Free radicals get created by UV-A light. This type of damage is called indirect DNA damage.

Cosmic rays or radioactive decay can cause ionization radiation which can break DNA strands.

An increase in the rate of depurination (this is loss of purine bases from the backbone of DNA) can occur due to thermal disruption at high temperatures. It also causes single-strand breaks.

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What is DNA Repair and its Significance?

The cells within an organism need to have the ability to maintain and conserve their DNA sequence for the survival of the cell and the normal functioning of the organism. DNA repair is how a cell gives a corrective response to DNA damage and alternations. Organisms depend on the genetic information in DNA to survive and reproduce which makes it crucial to maintain the integrity of DNA molecules. In the event that DNA damage can not be repaired, the following major issues might happen:

It affects the function and survival of somatic cells.

Fertility in reproductive cells can get adversely affected.

Can cause gene mutation which could later develop into tumour cells.

DNA damage repair in most cases can restore the structure of DNA but at times it might not be able to eliminate the DNA damage yet allowing the cells to tolerate the damage and survive. The only biological macromolecule that can be repaired in the cell is DNA. Through DNA repair, the genetic stability of species is guaranteed which is very crucial for reducing incidents of defect repair.


Aging neurons prioritize essential genes when repairing DNA

Rather than repairing DNA damage randomly across the genome, neurons appear to focus on mending sections that have genes key to their identity and function, according to a study supported in part by NIA. The findings, which were published in Wissenschaft, provide a basis for understanding age-related degeneration of the nervous system, and may lead to new strategies for treating diseases such as Alzheimer’s and Parkinson’s. The research was led by scientists at the Salk Institute for Biological Studies, La Jolla, California.

Unlike other cell types, neurons generally cannot be regenerated, so we carry the ones generated in early development throughout our lives. Neurons’ longevity makes it especially important that they continually repair damage to their genome, which holds the genetic instructions they need to function. DNA is damaged through normal cellular wear and tear, and while cells possess the ability to make repairs, that ability does not function as well with increasing age. Research has shown that a decline in DNA maintenance in neurons is linked to a decrease in their function, which may contribute to age-related neurodegenerative diseases.

To learn more about how neurons maintain their DNA, the study’s authors developed a technique they called Repair-seq, which enables them to locate areas in the neuronal genome undergoing repair. Using the new method, they found that neurons concentrate their efforts on specific sections or “hot spots,” rather than fixing errors randomly across the genome. There were roughly 61,000 hot spots, covering about 1.6% of the genome.

When they examined the DNA in the hot spots, they found that it contains a number of genes critical to neurons’ identity and function. They also examined the proteins associated with hot spots and discovered that some showed changes similar to those seen in Alzheimer’s disease. This suggests that impaired DNA repair may contribute to the onset or progression of Alzheimer’s, according to the authors.

By suggesting that neurons respond to age-related deterioration in their DNA repair capacity by prioritizing the maintenance of key genes, the findings provide a new perspective on age-related diseases, and might lead to novel DNA repair-based therapeutic approaches. In addition, Repair-seq offers a powerful new tool for exploring the role of DNA repair in other cell types in various disease states or during the aging process.

This research was supported in part by NIA grants R01-AG056306 and R01-AG056511.

These activities relate to NIH’s AD+ADRD Research Implementation Milestone 2.C, “Create research programs on epigenetics to understand how genetic and environmental factors interact across the lifespan to influence brain aging and risk for disease and to identify potential targets for treatment and prevention.”


DNA-Reparatur

DNA-Reparatur
The removal of damaged segments, e.g. pyrimidine dimers, from one strand of double-stranded DNA and its correct resynthesis.
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DNA-Reparatur theory[edit]
Crossing over and DNA-Reparatur are very similar processes, which utilize many of the same protein complexes.[3][5][6] While the formation of chiasma is unique to chromosomal cross over, the use of recombinases and primases to lay a foundation of nucleotides along the DNA sequenece.

DNA-Reparatur
Most of the time, mutation is reversed. DNA-Reparatur machines are constantly at work in our cells, fixing mismatched nucleotides and splicing broken DNA strands back together. Yet some DNA changes remain.

DNA polymerase can make mistakes while adding nucleotides. It edits the DNA by proofreading every newly added base. Incorrect bases are removed and replaced by the correct base, and then polymerization continues (Figure 9.13 a).

and complementation
As discussed in the earlier part of this article, sexual reproduction is conventionally explained as an adaptation for producing genetic variation through allelic recombination.

genes Genes encoding proteins that can correct errors in DNA sequences.
DNA vector A virus, plasmid, or other vehicle, used to introduce DNA into a cell.
DNP 2,4-dinitrophenol.

: Restoration of the correct nucleotide sequence of a DNA molecule that has acquired a mutation or modification. It includes proofreading by DNA polymerase (see helicase).

ing System
20. One characteristic of DNA molecules is their replication capability. What are the consequences of failures during DNA replication?
.

and maintenance of chromosome structure. Environmental factors, such asionizing radiation, UV light, and chemicals, can damage DNA. Errors in DNA replication can also lead to mutations.

: Fixing Double-Strand Breaks
Examples of Transcription Regulation in Eukaryotes
Parts of a Chromosome & Their Roles .

diseases are hereditary, because of mutations. There's a difference between DNA damage and mutation. DNA damage is a physical abnormality in the DNA which can be recognized by enzymes. For example single or double strand breaks.

template can be included in the CRISPR/Cas9 system which allows for this DNA sequence to be incorporated at the desired location. The repair template extends beyond the location of the cleaved section of DNA.

processes during cell division. This is because a dividing cell does not recognize the difference between damaged DNA stands and telomeres. Repairing DNA during mitosis could cause telomere fusion, which may result in cell death or chromosome abnormalities.

Gene
Genes encoding proteins that correct errors in DNA sequencing. (ORNL)
DNA Replikation
The use of existing DNA as a template for the synthesis of new DNA strands. In humans and other eukaryotes, replication occurs in the cell nucleus. (ORNL)
DNA sequence .

The causal effects linking genetic alterations and the phenotypic state trajectories of cancer cells are enacted within the TME context and channeled through operational deviations from homeostasis of growth, proliferation, autophagy, angiogenesis, apoptosis, survival, focal adhesion, cell cycle,

Due to the damaging effects that mutations can have on cells, organisms have evolved mechanisms such as

process which occurs after DNA replication.
Post-transcriptional regulation
Regulation of gene expression after the gene has been transcribed into mRNA. For example, by regulation of translation, regulation of protein activity, or regulation of protein turnover.

Due to DNA replication and

mechanisms, mutation rates of individual genes are low, but since each organism has many genes, and a population has many individuals, new mutations arise in populations all the time. Thus, mutations are relatively common, and the mutation rate is an adequate source of new alleles.

The new drug works to restore the activity of hSSB1, preventing the

process from being shut down in the first place.

(TP53) A multifunctional protein Mr 53 kDa regulating cell cycle arrest, apoptosis, senescence,

System. Recognizes and removes mutations that result from base-pairing that is not complementary.
Okazaki fragment - Short stretches of newly synthesized DNA found on the lagging strand during DNA replication.

Errors can occur during DNA replication,

, or DNA recombination.
These can lead to base-pair substitutions, insertions, or deletions, as well as mutations affecting longer stretches of DNA.
These are called spontaneous mutations.

In addition to its AP endonuclease activity, it exhibits other

. In contrast, Nfo (an AP endonuclease) generates 16 and 21mer fragments .
Kompletter Artikel .

A disease (loss of muscle control, and reddening of the skin) in human beings caused by a defect in

mechanisms induced by ionising radiation (X-rays, beta and alpha particles, gamma rays).

DNA ligase - protein that joins (ligates) DNA strands used by cells for

Chimeraplasty A technique of gene therapy dependent on construction of a DNA:RNA oligonucleotide hybrid that once introduced into a cell relies upon

mechanisms to introduce a (corrective) change in the targeted gene.

. Linkage -- the greater association in inheritance of two or more nonallelic genes than is to be expected from independent assortment genes are linked because they reside on the same chromosome.


DNA-Reparatur

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DNA-Reparatur, einer von mehreren Mechanismen, durch die eine Zelle die Integrität ihres genetischen Codes aufrechterhält. Die DNA-Reparatur sichert das Überleben einer Art, indem sie es ermöglicht, die elterliche DNA so getreu wie möglich an die Nachkommen zu vererben. Es bewahrt auch die Gesundheit eines Individuums. Mutationen im genetischen Code können zu Krebs und anderen genetischen Erkrankungen führen.

Eine erfolgreiche DNA-Replikation erfordert, dass sich die beiden Purinbasen Adenin (A) und Guanin (G) mit ihren Pyrimidin-Gegenstücken Thymin (T) und Cytosin (C) paaren. Verschiedene Arten von Schäden können jedoch eine korrekte Basenpaarung verhindern, darunter spontane Mutationen, Replikationsfehler und chemische Modifikationen. Spontane Mutationen treten auf, wenn DNA-Basen mit ihrer Umgebung reagieren, beispielsweise wenn Wasser eine Base hydrolysiert und ihre Struktur ändert, wodurch sie sich mit einer falschen Base paart. Replikationsfehler werden minimiert, wenn die DNA-Replikationsmaschinerie ihre eigene Synthese „korrigiert“, aber manchmal entgehen nicht übereinstimmende Basenpaare dem Korrekturlesen. Chemische Wirkstoffe modifizieren Basen und stören die DNA-Replikation. Nitrosamine, die in Produkten wie Bier und eingelegten Lebensmitteln vorkommen, können eine DNA-Alkylierung (das Hinzufügen einer Alkylgruppe) verursachen. Oxidationsmittel und ionisierende Strahlung erzeugen in der Zelle freie Radikale, die Basen, insbesondere Guanin, oxidieren. Ultraviolette (UV) Strahlen können zur Produktion schädlicher freier Radikale führen und benachbarte Pyrimidine fusionieren, wodurch Pyrimidin-Dimere entstehen, die die DNA-Replikation verhindern. Auch ionisierende Strahlung und bestimmte Medikamente wie das Chemotherapeutikum Bleomycin können die Replikation blockieren, indem sie Doppelstrangbrüche in der DNA erzeugen. (Diese Mittel können auch Einzelstrangbrüche erzeugen, obwohl diese Form der Schädigung für Zellen oft leichter zu überwinden ist.) Basenanaloga und interkalierende Mittel können abnormale Insertionen und Deletionen in der Sequenz verursachen.

Es gibt drei Arten von Reparaturmechanismen: direkte Umkehrung des Schadens, Exzisionsreparatur und Reparatur nach der Replikation. Die direkte Umkehrreparatur ist spezifisch für den Schaden. Beispielsweise werden in einem als Photoreaktivierung bezeichneten Prozess durch UV-Licht fusionierte Pyrimidinbasen durch DNA-Photolyase (ein lichtgetriebenes Enzym) getrennt. Zur direkten Umkehrung von Alkylierungsereignissen erkennt und entfernt eine DNA-Methyltransferase oder DNA-Glycosylase die Alkylgruppe. Die Exzisionsreparatur kann spezifisch oder unspezifisch sein. Bei der Basenexzisionsreparatur identifizieren und entfernen DNA-Glykosylasen spezifisch die fehlgepaarte Base. Bei der Nukleotidexzisionsreparatur erkennt die Reparaturmaschinerie eine Vielzahl von Verzerrungen in der Doppelhelix, die durch fehlgepaarte Basen verursacht werden. Bei dieser Reparaturform wird die gesamte verzerrte Region ausgeschnitten. Die Reparatur nach der Replikation erfolgt stromabwärts der Läsion, da die Replikation an der tatsächlichen Schadensstelle blockiert wird. Damit die Replikation stattfinden kann, werden kurze DNA-Abschnitte, die Okazaki-Fragmente genannt werden, synthetisiert. Die an der beschädigten Stelle verbleibende Lücke wird durch Rekombinationsreparatur gefüllt, die die Sequenz eines unbeschädigten Schwesterchromosoms verwendet, um das beschädigte zu reparieren, oder durch fehleranfällige Reparatur, die den beschädigten Strang als Sequenzvorlage verwendet. Fehleranfällige Reparaturen sind in der Regel ungenau und unterliegen Mutationen.

Wenn die DNA beschädigt ist, repliziert die Zelle oft die Läsion, anstatt auf die Reparatur zu warten (Transläsionssynthese). Obwohl dies zu Mutationen führen kann, ist es einem vollständigen Stopp der DNA-Replikation vorzuziehen, was zum Zelltod führt. Andererseits wird die Bedeutung einer ordnungsgemäßen DNA-Reparatur hervorgehoben, wenn die Reparatur fehlschlägt. Die Oxidation von Guanin durch freie Radikale führt zur G-T-Transversion, einer der häufigsten Mutationen bei menschlichem Krebs.

Der hereditäre Darmkrebs ohne Polyposis resultiert aus einer Mutation in den Proteinen MSH2 und MLH1, die Fehlpaarungen während der Replikation reparieren. Xeroderma pigmentosum (XP) ist eine weitere Erkrankung, die aus einer fehlgeschlagenen DNA-Reparatur resultiert. Patienten mit XP sind sehr lichtempfindlich, zeigen eine vorzeitige Hautalterung und neigen zu bösartigen Hauttumoren, da die XP-Proteine, von denen viele die Nukleotidexzisionsreparatur vermitteln, nicht mehr funktionieren können.