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DNA-Reparaturmechanismen sind lebensnotwendige Prozesse, die chemische Schäden und Kopierfehler im Erbgut korrigieren, um Mutationen und Krankheiten wie Krebs zu verhindern.
Obwohl die DNA-Replikation durch die DNA-Polymerase extrem präzise abläuft, ist sie nicht fehlerfrei. Die erste Instanz der Fehlerkorrektur ist das Proofreading (Korrekturlesen). Die DNA-Polymerase besitzt eine 3'-5' Exonuklease-Aktivität, mit der sie unmittelbar nach dem Einbau prüfen kann, ob die Base zum Matrizenstrang passt. Bei einem Fehler setzt sie einen Schritt zurück, entfernt das falsche Nukleotid und ersetzt es durch das korrekte.
Wenn Fehler das Proofreading überstehen, greift nach der Replikation der Mismatch-Repair (Fehlpaarungsreparatur). Enzyme erkennen die leichte Verformung der Doppelhelix, die durch eine Fehlpaarung (z. B. G statt A gegenüber von T) entsteht. Dabei muss die Zelle zwischen dem alten, korrekten Mutterstrang und dem neuen, fehlerhaften Tochterstrang unterscheiden können, um den richtigen Abschnitt auszutauschen.
DNA kann auch durch äußere Einflüsse geschädigt werden. Die Basenexzisionsreparatur (Base Excision Repair, BER) ist darauf spezialisiert, einzelne beschädigte Basen zu entfernen. Dies geschieht häufig bei chemischen Modifikationen wie der Desaminierung (Verlust einer Aminogruppe). Eine spezifische DNA-Glykosylase erkennt und entfernt nur die defekte Base, woraufhin weitere Enzyme das Zucker-Phosphat-Rückgrat öffnen und die Lücke füllen.
Größere Schäden, die die Struktur der DNA-Doppelhelix massiv stören, werden durch die Nukleotidexzisionsreparatur (Nucleotide Excision Repair, NER) behoben. Ein klassisches Beispiel sind Thymin-Dimere, die durch UV-Strahlung entstehen. Hierbei werden zwei benachbarte Thymin-Basen kovalent miteinander verknüpft, was die Polymerase blockiert. Bei der NER wird ein ganzes Stück des betroffenen Strangs (ein Oligonukleotid) herausgeschnitten und neu synthetisiert.
Die gefährlichste Form des Schadens ist der Doppelstrangbruch, bei dem beide Rückgrate der DNA reißen. Hier gibt es zwei Wege: Das Non-Homologous End Joining (NHEJ) verbindet die Enden einfach wieder miteinander, was jedoch oft zum Verlust einiger Nukleotide führt (fehleranfällig). Die homologe Rekombination hingegen nutzt die Information des Schwesterchromatids als fehlerfreie Vorlage für eine präzise Reparatur.
Versagen diese Reparaturmechanismen dauerhaft, spricht man von einer Mutation. Akkumulieren sich solche Mutationen in Genen, die den Zellzyklus kontrollieren, kann dies zur Entstehung von Tumoren führen. Alternativ kann die Zelle bei zu starken Schäden die Apoptose (den programmierten Zelltod) einleiten, um den Organismus zu schützen.
