Schäden in der DNA: Was nun?

Wir werden jeden Tag mit UV-Strahlen von der Sonne „beschossen“, sind natürlicher radioaktiver Strahlung ausgesetzt und kommen häufig mit mutagenen Stoffen in Kontakt. In unseren Zellen selbst können während des normalen Stoffwechselprozesses schädliche Moleküle entstehen und bei der Verdopplung der DNA passieren häufig Fehler. Unsere DNA wird also ständig geschädigt. Und zwar bis zu unvorstellbaren einer Million Schäden pro Zelle pro Tag! Und doch geht es uns meistens gut, denn unser Körper ist zum Glück nicht machtlos gegen diese Veränderungen in seinem Bauplan.

Ein komplexer Apparat sorgt dafür, dass Schäden repariert werden.

In der Zelle läuft nicht immer alles einwandfrei. Bis zu einer Million Mal pro Tag wird die DNA von externen oder auch internen Einflüssen geschädigt. Ein komplexer Apparat sorgt dafür, dass Schäden repariert werden. Bild: Skylines/Shutterstock

DNA-Schäden werden von der Umwelt ausgelöst oder entstehen spontan

Die DNA ist eine Art Bauplan für die Herstellung von Proteinen, der in einem Code aus vier Buchstaben geschrieben ist. Fehler in diesem Bauplan können aus unterschiedlichen Gründen entstehen. Zum einen hat man herausgefunden, dass gewisse Umwelteinflüsse DNA-Schäden verursachen (diese Einflüsse werden "Mutagene" genannt). Viele chemische Stoffe und Metallverbindungen zählen zu den Mutagenen. Auch Röntgen- und UV-Strahlen können DNA-Schäden verursachen, die zum Beispiel zu Hautkrebs führen. Manchmal entstehen DNA-Schäden aber auch spontan und ohne äussere Einflüsse. Der Zelle können nämlich beim Kopieren des Erbguts während der Zellteilung Schreibfehler unterlaufen. Oder die Chromosomen werden bei der Zellteilung versehentlich nicht gleichmässig verteilt.

Der DNA-Pannendienst

Unsere Zellen besitzen verschiedene Enzyme, die beschädigte DNA erkennen und reparieren können. Es gibt mehrere Arten von DNA-Schädigungen und entsprechend viele Arten von DNA-Reparaturmöglichkeiten.

Während der DNA-Verdopplung kontrollieren Enzyme, ob sich die Basen richtig paaren und ersetzen falsche Basen durch richtige. Dabei benutzen sie den „korrekten“ Strang als Vorlage. Spezielle Merkmale erlauben den Enzymen den korrekten vom falschen Strang zu unterscheiden. So werden Kopierfehler verhindert und die DNA-Sequenz bleibt während vieler Generationen von Zellen gleich.

Andere Enzyme erkennen Veränderungen in der normalen Struktur des DNA-Moleküls, die durch schadhafte DNA-Abschnitte hervorgerufen wurden. Sie schneiden diese längeren Abschnitte heraus und ersetzen diese.

Wiederum andere Enzyme springen ein, wenn beide DNA-Stränge gebrochen sind (Doppelstrangbruch) und kitten diese zusammen. Manchmal ist es der Zelle nicht möglich beim Zusammenkitten die ursprüngliche DNA-Sequenz wiederherzustellen. Das wird aber in Kauf genommen, denn gebrochene DNA in einer Zelle ist schlimmer und führt zu gravierenden Chromosomenmutationen. Kann der Doppelstrangbruch gar nicht repariert werden, begeht die Zelle Selbstmord. Sie zerstört sich selber in einem kontrollierten Prozess (Apoptose) und verhindert so, dass die schadhafte DNA an die nächsten Zellgenerationen weitergegeben wird. So wird z.B. verhindert, dass sich sogenannte entartete Zellen vermehren, also normale Zellen, die aufgrund eines DNA-Schadens zu Krebszellen wurden.

Vereinfachte Darstellung der Basenexzisionsreparatur.

Vereinfachte Darstellung der Basenexzisionsreparatur. Vier Enzyme arbeiten zusammen, um die eine defekte Base zu ersetzen. Bild angepasst von: LadyofHats/Copyrightfree

Ein sehr komplexer Prozess

Das Bild zeigt eine vereinfachte Darstellung der Basenexzisionsreparatur, eine der einfachsten Arten von DNA-Reparatur. An einer Stelle der DNA befindet sich eine defekte Base. Vier Enzyme „fahren“ nacheinander auf dem DNA-Strang und erledigen jedes seine spezifische Aufgabe. Die Glykosylase erkennt die defekte Base und entfernt sie. Danach kommt die Endonuklease, die erkennt, dass an der Stelle eine Base fehlt, und schneidet den Rest des Nukleotids aus. Die Polymerase, die darauf folgt, bewirkt, dass das korrekte Nukleotid eingebaut wird und die Ligase, dass das neue Nukleotid mit den benachbarten Nukleotiden verbunden wird. Nun ist der Fehler repariert. Der ganze Prozess dauerte etwa 15 Minuten. Du kannst dir also vorstellen, dass in jeder Zelle ganz viele Reparatur-Pannendienste gleichzeitig unterwegs sind, um die vielen DNA-Schäden zu reparieren.

Fehler in der DNA, die für DNA-Reparatur kodiert

Der Bauplan für die Enzyme, die geschädigte oder mutierte DNA reparieren, ist auch innerhalb der DNA gespeichert. Es kann also durchaus vorkommen, dass Mutationen in der DNA ein nicht funktionierendes Reparaturenzym zur Folge haben. Solche Mutationen in Enzymen der DNA-Reparatur können zu Erkrankungen führen. Xeroderma pigmentosum, eine seltene Erberkrankung, die zu Hautkrebs führen kann, beruht zum Teil auf Defekten in der Zellmaschinerie, die durch UV-Strahlung verursachte DNA-Schäden repariert.

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Saskiar schrieb:

Ich habe sehr viel gelernt in diesem Artikel.