Hauptunterschied – Mismatch-Reparatur vs. Nukleotid-Exzisions-Reparatur
Täglich treten in der Zelle Zehntausende von DNA-Schäden auf. Es induziert Veränderungen der Zellprozesse wie Replikation, Transkription sowie die Lebensfähigkeit der Zelle. In einigen Fällen können durch diese DNA-Schäden verursachte Mutationen zu schädlichen Krankheiten wie Krebs und altersbedingten Syndromen (z. B. Progerie) führen. Unabhängig von diesen Schäden initiiert die Zelle einen hoch organisierten Kaskadenreparaturmechanismus, der als DNA-Schadensantwort bezeichnet wird. Im Zellsystem wurden mehrere DNA-Reparatursysteme identifiziert; diese sind bekannt als Base Excision Repair (BER), Mismatch Repair (MMR), Nucleotide Excision Repair (NER), Double Strang Break Repair. Nucleotide Excision Repair ist ein äußerst vielseitiges System, das DNA-Läsionen mit voluminöser Helixverzerrung erkennt und entfernt. Andererseits ersetzt die Mismatch-Reparatur falsch eingebaute Basen während der Replikation. Der Hauptunterschied zwischen der Fehlpaarungsreparatur und der Nukleotidexzisionsreparatur besteht darin, dass die Nukleotidexzisionsreparatur (NER) verwendet wird, um Pyrimidindimere zu entfernen, die durch UV-Bestrahlung und durch chemische Addukte verursachte voluminöse Helixläsionen gebildet werden, während das Mismatch-Reparatursystem eine wichtige Rolle bei der Korrektur falsch eingebauter Basen spielt, die haben während der Postreplikation den Replikationsenzymen (DNA-Polymerase 1) entkommen. Zusätzlich zu nicht übereinstimmenden Basen können Proteine des MMR-Systems auch die Insertions-/Deletionsschleifen (IDL) reparieren, die das Ergebnis des Polymerase-Schlupfes während der Replikation repetitiver DNA-Sequenzen sind.
Was ist Nukleotidexzisionsreparatur?
Das herausragendste Merkmal der Nukleotidexzisionsreparatur ist, dass sie die modifizierten Nukleotidschäden repariert, die durch signifikante Verzerrungen in der DNA-Doppelhelix verursacht wurden. Es wird bei fast allen bisher untersuchten Organismen beobachtet. Uvr A, Uvr B, Uvr C (Excinucleasen) Uvr D (eine Helikase) sind die bekanntesten an der NER beteiligten Enzyme, die im Modellorganismus Ecoli die Reparatur von DNA auslösen. Der Uvr-ABC-Enzymkomplex mit mehreren Untereinheiten produziert die Uvr-A-, Uvr-B- und Uvr-C-Polypeptide. Die Gene, die für die oben erwähnten Polypeptide kodieren, sind uvr A, uvr B, uvr C. Die Uvr A- und B-Enzyme erkennen gemeinsam die schadensinduzierte Verzerrung, die an der DNA-Doppelhelix verursacht wird, wie etwa Pyrimidin-Dimere aufgrund von UV-Bestrahlung. Uvr A ist ein ATPase-Enzym und dies ist eine autokatalytische Reaktion. Dann verlässt Uvr A die DNA, während der Uvr BC-Komplex (aktive Nuklease) die DNA auf beiden Seiten des durch ATP katalysierten Schadens sp altet. Ein weiteres Protein namens Uvr D, das vom uvrD-Gen codiert wird, ist ein Helikase-II-Enzym, das die DNA entwindet, die aus der Freisetzung eines einzelsträngigen beschädigten DNA-Segments resultiert. Dadurch entsteht eine Lücke in der DNA-Helix. Nachdem das beschädigte Segment herausgeschnitten wurde, verbleibt eine Lücke von 12-13 Nukleotiden im DNA-Strang. Dieser wird durch das DNA-Polymerase-Enzym I aufgefüllt und der Nick durch die DNA-Ligase verschlossen. ATP wird in drei Schritten dieser Reaktion benötigt. Der NER-Mechanismus kann auch bei säugetierähnlichen Menschen identifiziert werden. Beim Menschen entsteht die als Xeroderma pigmentosum bezeichnete Hauterkrankung durch DNA-Dimere, die durch UV-Bestrahlung verursacht werden. Die Gene XPA, XPB, XPC, XPD, XPE, XPF und XPG produzieren Proteine, um DNA-Schäden zu ersetzen. Die Proteine der Gene XPA, XPC, XPE, XPF und XPG haben die Nukleaseaktivität. Andererseits zeigen die Proteine der XPB- und XPD-Gene die Helikase-Aktivität, die analog zu Uvr D in E. coli ist.
Abbildung 01: Reparatur der Nukleotid-Exzision
Was ist Mismatch Repair?
Das Mismatch-Reparatursystem wird während der DNA-Synthese initiiert. Auch bei der funktionellen €-Untereinheit erlaubt die DNA-Polymerase III den Einbau eines falschen Nukleotids für die Synthese alle 108 Basenpaare. Mismatch-Reparaturproteine erkennen dieses Nukleotid, schneiden es heraus und ersetzen es durch das richtige Nukleotid, das für den endgültigen Genauigkeitsgrad verantwortlich ist. Die DNA-Methylierung ist für MMR-Proteine entscheidend, um den Elternstrang vom neu synthetisierten Strang zu erkennen. Die Methylierung des Adenin(A)-Nukleotids in einem GATC-Motiv eines neu synthetisierten Strangs ist etwas verzögert. Andererseits ist das Adeninnukleotid des Elternstrangs im GATC-Motiv bereits methyliert. MMR-Proteine erkennen den neu synthetisierten Strang an diesem Unterschied zum Elternstrang und beginnen mit der Fehlpaarungsreparatur in einem neu synthetisierten Strang, bevor dieser methyliert wird. Die MMR-Proteine richten ihre Reparaturaktivität darauf aus, das falsche Nukleotid herauszuschneiden, bevor der neu replizierte DNA-Strang methyliert wird. Die Enzyme Mut H, Mut L und Mut S, die von den Genen mut H, mut L, mut S kodiert werden, katalysieren diese Reaktionen in Ecoli. Mut S-Protein erkennt sieben von acht möglichen Basenpaaren mit Fehlpaarung außer C:C und bindet an der Stelle der Fehlpaarung in der Duplex-DNA. Bei gebundenen ATPs treten Mut L und Mut S später in den Komplex ein. Der Komplex wandert einige tausend Basenpaare weg, bis er ein hemimethyliertes GATC-Motiv findet. Die ruhende Nukleaseaktivität des Mut H-Proteins wird aktiviert, sobald es ein hemimethyliertes GATC-Motiv findet. Es sp altet den unmethylierten DNA-Strang und hinterlässt einen 5'-Nick am G-Nukleotid des unmethylierten GATC-Motivs (neu synthetisierter DNA-Strang). Dann wird derselbe Strang auf der anderen Seite der Fehlpaarung von Mut H geknickt. In den restlichen Schritten schneiden die kollektiven Aktionen von Uvr D, einem Helikaseprotein, Mut U, SSB und Exonuklease I, das falsche Nukleotid im Einzelstrang aus DNS. Die bei der Exzision entstehende Lücke wird durch die DNA-Polymerase III aufgefüllt und durch Ligase verschlossen. Ein ähnliches System kann bei Mäusen und Menschen identifiziert werden. Die Mutation von humanem hMLH1, hMSH1 und hMSH2 ist an erblichem nichtpolypösem Dickdarmkrebs beteiligt, der die Zellteilung von Dickdarmzellen dereguliert.
Abbildung 02: Mismatch-Reparatur
Was ist der Unterschied zwischen Mismatch Repair und Nucleotide Excision Repair?
Mismatch Repair vs. Nucleotide Excision Repair |
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| Mismatch-Reparatursystem tritt während der Post-Replikation auf. | Dies ist an der Entfernung von Pyrimidin-Dimeren aufgrund von UV-Bestrahlung und anderen DNA-Läsionen aufgrund von chemischen Addukten beteiligt. |
| Enzyme | |
| Es wird durch Mut S, Mut L, Mut H, Uvr D, SSB und Exonuklease I katalysiert. | Es wird durch die Enzyme Uvr A, Uvr B, Uvr C, UvrD katalysiert. |
| Methylierung | |
| Es ist entscheidend, die Reaktion auszulösen. | DNA-Methylierung ist für die Initiierung der Reaktion nicht erforderlich. |
| Wirkung von Enzymen | |
| Mut H ist eine Endonuklease. | Uvr B und Uvr C sind Exonukleasen. |
| Anlass | |
| Dies geschieht speziell während der Replikation. | Dies passiert, wenn es UV-Strahlung oder chemischen Mutagenen ausgesetzt wird, nicht während der Replikation |
| Naturschutz | |
| Es ist hoch konserviert | Es ist nicht sehr konserviert. |
| Lückenfüllung | |
| Es wird von der DNA-Polymerase III durchgeführt. | Es wird von der DNA-Polymerase I durchgeführt. |
Zusammenfassung – Mismatch Repair vs. Nucleotide Excision Repair
Mismatch Repair (MMR) und Nucleotide Excision Repair (NER) sind zwei Mechanismen, die in der Zelle stattfinden, um DNA-Schäden und -Verzerrungen zu korrigieren, die durch verschiedene Wirkstoffe verursacht werden. Diese werden zusammenfassend als DNA-Reparaturmechanismen bezeichnet. Die Nukleotidexzisionsreparatur repariert die modifizierten Nukleotidschäden, typischerweise jene signifikanten Schäden der DNA-Doppelhelix, die aufgrund der Einwirkung von UV-Strahlung und chemischen Addukten auftreten. Mismatch-Reparaturproteine erkennen das falsche Nukleotid, entfernen es und ersetzen es durch das richtige Nukleotid. Dieser Prozess ist für die endgültige Genauigkeit bei der Replikation verantwortlich.
