Diplomarbeit - GSI

1.1 Biologische Grundlagen Strahlen-induzierter Schäden
bis 3000 Basenschäden, 500 bis 1000 Einzelstrangbrüche (ESB) und 30 bis 40 Dop-
pelstrangbrüche (DSB) (Schmidt und Aichinger). Basenschäden sowie Einzelstrangbrü-
che werden effizient durch Exzisionsreparatur-Mechanismen repariert, wobei der kom-
plementäre ungeschädigte DNA-Strang als Matrize dient. Der schwerwiegenste DNA-
Schaden ist der DNA-Doppelstrangbruch, da hierbei beide Stränge der DNA durchtrennt
werden, und es so zu Fehlern bei der Reparatur und zu Deletionen kommen kann. Die
Reparatur von Doppelstrangbrüchen (DSB) ist erschwert, wenn mehr als ein DSB vor-
handen ist, da hierbei die verschiedenen DNA-Enden falsch verknüpft werden könnten.
Fehlerhafte Reparaturen können zu Mutationen und dadurch zu strukturellen Chromoso-
menaberrationen führen. Im Folgenden sollen nun die Reparaturmechanismen von DNA-
Doppelstrangbrüchen näher erläutert werden.
Die Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen kann zum Einen über die homologe Re-
kombination (HR) und zum Anderen über Nicht-homologe End-zu-End-Verknüpfung (non
homologous end joining: NHEJ) erfolgen (Übersicht Kanaar et al. (1998)). Damit es über-
haupt zur Reparatur von DNA-Schäden kommen kann, muss zunächst die Chromatin-
struktur um den Schaden aufgelockert werden, so dass Reparaturproteine binden kön-
nen. Die Zugänglichkeit des Chromatins ist ATP-abhängig und wird durch verschiedene
posttranslationale Histonmodifikationen gewährleistet (Übersicht Pandita und Richardson
(2009)). Die frühste bekannte Histon-Modifikation ist die Phosphorylierung des Histons
H2AX durch ATM zu γH2AX (Rogakou et al., 1998), wodurch der DNA-Schaden mar-
kiert wird und Reparaturproteine an Doppelstrangbrüche rekrutiert werden. Nun kommt
es abhängig vom Zellzyklus zu HR oder NHEJ.
Die homologe Rekombination ist in der späten S- und G2-Phase der dominante Re-
paraturweg (Rothkamm et al., 2003), da das homologe Schwesterchromatid als Vorla-
ge verwendet werden kann und so eine fehlerfreie Reparatur ermöglicht. Dabei wer-
den zunächst durch die Proteinkinase ATM Exonukleasen aktiviert, die an den DNA-
Bruchenden die Nukleotide so abbauen, dass an den 3´-Enden überhängende Einzelsträn-
ge entstehen. Rad51, gestützt durch den MRN-Komplex, sowie RPA binden an den DNA-
Einzelstrang und bildeen ein Nukleoprotein-Filament das sich mit dem komplementären
Einzelstrang des Schwesterchromatids paart (Shinohara und Ogawa, 1998). Die beiden
gepaarten 3´OH Enden dienen als Startpunkte für die Auffüllsynthese der einzelsträngi-
gen Lücken. Abschließend werden die Zuckerphosphatketten durch Ligation verschlos-
sen.
NHEJ tritt hauptsächlich in der G0/G1 bzw. frühen S-Phase auf, kann jedoch in allen Zell-
zyklusphasen aktiv sein (Rothkamm et al., 2001, 2003). Die Reparatur durch NHEJ ver-
läuft nicht fehlerfrei, da es durch die End-zu-End Verknüpfung der Bruchenden zum Ver-
lust einiger Basenpaare (Mikrodeletionen) kommen kann. Beim NHEJ binden Ku70/Ku80-
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