Falsch kopiert, sofort korrigiert

Der Schwede Tomas Lindahl suchte in Bakterienkulturen nach DNA-Reparaturmechanismen. Ihm gelang es, ein Reparatursystem zu charakterisieren, das ständig die DNA nach kleinen Fehlern in den Nucleobasen, beispielsweise ein desaminiertes Cytosin, absucht. Wird dieses System fündig, induziert es einen Mechanismus, den Lindahl „Basenexzisions-Reparatur“ (base excision repair, BER) taufte. Dieser beruht auf Enzymen, den sogenannten DNA-Glycosylasen, die die fehlerhafte Base von dem Desoxyribose-Rest trennen und somit eine Markierung setzen, um die nun sehr auffällige Fehlerstelle zu korrigieren. Allerdings verfügen nicht nur Bakterien über diese Art Reparatursystem, sondern auch Säugetiere. Zudem kommen Glycosylasen vor, die neben desaminiertem Cytosin (= Uracil) auch andere Basen aus der DNA schneiden können. Ist die fehlerhafte Base entfernt, bleibt das Enzym noch an der DNA gebunden, bis sich die Apurin-/Apyrimidin-Endonuclease einfindet und das DNA-Rückgrat öffnet (Abb. 1). Sobald die Endonuclease ihren Job erledigt hat, kann die DNA-Polymerase aktiv werden, die einerseits die basenlose Zuckerphosphat-Einheit ausschneidet und andererseits ein neues, richtiges Nucleotid einfügt. Zum Schluss schließt eine DNA-Ligase wieder den DNA-Strang.

Während der Replikation kommt es immer wieder zum Einbau falscher Nucleotide. Zwar kontrolliert die DNA-Polymerase eigentlich ihre eigene Arbeit, aber in seltenen Fällen bleibt doch ein falsches Nucleotid im neu synthetisierten Strang zurück. Natürlich kann die Base dann mit ihrem Gegenüber nicht die korrekten Wasserstoffbrücken ausbilden. Diesen „Mismatch“ erkennen und reparieren verschiedene Enzyme, die der Amerikaner Paul Modrich zunächst in Escherichia coli identifiziert und später auch analog in Säugetierzellen fand. In Bakterien sind die Enzyme mit den Kürzeln MutS, MutL und MutH daran beteiligt, einerseits die fehlerhafte Basenpaarung im DNA-Doppelstrang zu entdecken und andererseits den Matrizenstrang anhand der Basenmethylierung zu identifizieren. Durch die Interaktion der drei Proteine wird die MutH-Endonuclease aktiviert und schneidet den neusynthetisierten Strang (Abb. 2). Mithilfe einer Helicase werden die beiden Stränge bis zur Bindestelle von MutS getrennt und das fehlerhafte Stück ausgeschnitten. Erneut kommt eine Polymerase sowie eine Ligase ins Spiel, um den DNA-Strang korrekt fertigzustellen.

Ein ähnlich klingender und doch etwas anders verlaufender Reparaturmechanismus ist die „Nucleotidexzisions-Reparatur (nucleotide excision repair, NER)“, für die der in der Türkei geborene Aziz Sancar geehrt wurde. Auch diese Reaktion wurde zunächst in Bakterien untersucht, aber später ebenfalls in Säugetieren gefunden. Dieser Reparaturmechanismus übernimmt die wichtige Aufgabe, die durch UV-Licht induzierten Thymidin-Dimere zu eliminieren. Die Mutation ändert – falls sie nicht repariert wird – die räumliche Struktur des DNA und würde Transkription und Replikation stören. Deshalb ist die Reparatur dieser Stelle extrem wichtig. In den verschiedenen Organismen sind sehr unterschiedliche Enzyme beteiligt. Das Prinzip blieb jedoch im Laufe der Evolution erhalten: Nach dem Erkennen der veränderten DNA-Struktur am Thymidin-Dimer schneiden Nucleasen 12 bis 13 Nukleotide des mutierten DNA-Strangs aus (Abb. 3). Auch bei diesem Mechanismus wird eine Polymerase zum Wiederauffüllen der entstandenen Lücke benötigt sowie eine Ligase, die final das Zuckerphosphat-Rückgrat schließt.