DNA-Reparatur: Photolyase und Exzisionsreparatur
Wie Zellen DNA-Schäden beheben, bevor daraus Mutationen werden: Photolyase und Nucleotid-Exzisionsreparatur im Vergleich.
Das Wichtigste in Kürze
- DNA-Reparatur behebt Schäden in einem Strang (Prämutation), bevor die Replikation sie als manifeste Mutation festschreibt.
- Grundlage jeder Reparatur ist die komplementäre Basenpaarung: Der intakte Gegenstrang zeigt die richtige Sequenz.
- Die Photolyase spaltet den Cyclobutanring von Pyrimidindimeren direkt und lichtabhängig (Photoreaktivierung).
- Die Photolyase korrigiert keine Basenfehlpaarungen, und es entstehen keine Okazaki-Fragmente.
- Bei der Nucleotid-Exzisionsreparatur schneiden Endonucleasen ein Oligonucleotid aus einem Strang heraus. Die DNA-Polymerase füllt die Lücke am Gegenstrang auf, eine RNA-Polymerase ist nicht nötig.
Worum es geht
UV-Licht und Mutagene schädigen die DNA laufend. Reparaturenzyme beheben die meisten Schäden, bevor sie sich als Mutation festsetzen. Das erklärt, warum Mutagenität und Krebsrisiko eng mit der Reparaturkapazität einer Zelle zusammenhängen.
Bedeutung der Reparatur
Ein frischer Schaden betrifft zunächst nur einen Strang. Man spricht dann von einer Prämutation.
Eine Prämutation ist eine DNA-Veränderung in nur einem Strang, die noch rückgängig gemacht werden kann. Erst nach der nächsten Replikation steht sie in beiden Strängen und ist damit eine manifeste Mutation.
Reparatur gelingt, weil die Information doppelt vorliegt. Dank komplementärer Basenpaarung gibt der intakte Gegenstrang vor, welche Base an die beschädigte Stelle gehört. Ob sich eine Mutation manifestiert, hängt daher von der Effizienz der Reparatursysteme ab. Fehlen sie, werden aus Prämutationen leicht Mutationen. Die Reparaturenzyme selbst lösen keine Mutationen aus.
Photolyase
UV-Licht verknüpft zwei benachbarte Pyrimidinbasen über einen Cyclobutanring, meist zu einem Thymindimer. Die Photolyase macht diesen Schaden direkt rückgängig. Sie bindet an das Dimer und absorbiert ein Photon. Mit dieser Energie überträgt ihr Cofaktor \(\ce{FADH-}\) ein Elektron auf das Dimer. Der Ring bricht, und die beiden Thymine liegen wieder getrennt vor. Man nennt das Photoreaktivierung.
Das Enzym arbeitet also nur bei Licht. Es kommt unter anderem in manchen Prokaryonten vor, dem Menschen fehlt es.
Die Photolyase spaltet nur eine Bindung. Sie schneidet nichts heraus und synthetisiert nichts neu. Deshalb entstehen keine Okazaki-Fragmente, die es nur bei der Replikation gibt. Basenfehlpaarungen korrigiert sie nicht, denn dort gibt es keinen Ring zu spalten. Dafür ist die Fehlpaarungsreparatur zuständig.
Exzisionsreparatur
Die Nucleotid-Exzisionsreparatur ersetzt ein ganzes Stück DNA, statt eine Bindung zu spalten. Auch Thymindimere lassen sich so beseitigen, und zwar ohne Licht.
- Erkennen: Proteine erkennen die Verzerrung der Doppelhelix am Dimer.
- Schneiden: Endonucleasen schneiden den geschädigten Strang beidseits des Schadens.
- Entfernen: Ein kurzes Oligonucleotid löst sich ab, also mehr als nur das geschädigte Nucleotid.
- Auffüllen: Eine DNA-Polymerase füllt die Lücke mit dem intakten Gegenstrang als Matrize.
- Ligieren: Die DNA-Ligase schließt den letzten Strangbruch.
Nur ein Strang wird lokal entfernt, die DNA-Synthese bleibt auf die Lücke begrenzt. Eine RNA-Polymerase braucht es nicht. Anders als bei der Replikation ist kein RNA-Primer nötig, denn das freie 3’-OH-Ende am Rand der Lücke dient als Startpunkt.
Quiz
Aussage 1
Eine Prämutation liegt nur in einem DNA-Strang vor und kann vor der nächsten Replikation noch repariert werden.
Erst die Replikation schreibt den Schaden in beiden Strängen fest. Dann ist er eine manifeste Mutation.
Aussage 2
Die Photolyase erkennt falsch gepaarte Basen nach der Replikation und tauscht sie gegen die richtige Base aus.
Die Photolyase spaltet nur UV-induzierte Pyrimidindimere lichtabhängig. Basenfehlpaarungen behebt die Fehlpaarungsreparatur.
Aussage 3
Bei der Nucleotid-Exzisionsreparatur dient der unbeschädigte Gegenstrang als Matrize für das Auffüllen der Lücke.
Endonucleasen entfernen ein Stück nur eines Strangs. Die DNA-Polymerase synthetisiert es anhand des komplementären Gegenstrangs neu.
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