Affekacke DNA

Nukleosid: Base + Zucker

Unterteilung in Heterochomatin (dunkel anfärbbar, transkriptionel inaktiv, Bsp. Barr-Körperchen/2. X.Chr. der Frau) und Euchromatin (schlecht anfärbbar, transktiptionel aktiv)

1. Nukleosomen: DNA + Oktamer aus je 2 H2A, H2B, H3 und H4 Histone + Linker / H1-Histone
   Histone sind positiv geladene/basische Proteine (einzigen basischen Aminosäuren ARGININ, LYSIN und Histidin, d.h. bestehen sie zu ca. 20-30% aus Lysin und Arginin)
2. 30 nm Chromatinfaser
   Nukleosomen ordnen sich zu höhrer Struktur durch Bindung einzelner Nukleosomen
3. Chromosom (Transportform)
   X-förmig kondensierte DNA (Zwei-Chromatid-Chromosonme), lediglich in Metaphase der Zellteilung

Durch Abspaltung der Aminogruppen verwandeln sich die Basen an den Nukleotiden, Adenin und Cytosin, in Uracil und Hypoxanthin. Diese Fehler werden durch Reparaturenzyme erkannt und korrigiert.

Die Desaminierung ist wohl Ursache für Verwendung von Thymin statt Uracil in der DNA, da dies sonst permanent in Adenin umgewandelt werden würde

Bereits bei normaler Körpertemperatur spaltet sich wärmebedingt die N-glykosidische-Bindung zwischen Purinbase und der Desoxyribose.

Bei Pyrimidin verhältnismäßig selten.

Mutagene = chem. Substanzen, Strahlen und bestimmte Viren

1. Chem. Stoffe:
   Z.B. Farb-/Konservierungsstoffe/Zigarettenrauch lagern sich in DNA ein und verhindern einwandfreie Replikation
2. Strahlung (radioaktiv, UV):
   Direkte Schäden: Strahlen treffen DNA direkt und verursachen Einzel- oder Doppelstrangbrüch, bzw. Veränderung an Nukleotiden. UV-Strahlung fördert Dimerisierung der Thyminbasen.
   Indirekte Schäden: Strahlen treffen umgebende Wassermolekühle, es entstehen freie Radikale, die ggf. Schäden am Erbgut verursachen
3. Viren:
   Z.B. DNA-Tumorviren und Retroviren
   Verändern Wirtszellen so, dass Wachstumsregulierende Gene verstärkt/vermindert exprimiert werden, wodurch Tumoren entstehen können

Während Replikation verursachen DNA-Polymerasen relativ häufig Fehler, da sie jedoch selbst repariert, bleibt ca. 1 Fehler pro Replikation und Genom.

In G2-Phase (ca. 3Std) und S-Phase werden diese Fehler jedoch erneut kontrolliert

Durch degenerierten DNA-Code (Stille Mutationen), Introns und andere nicht codierende Bereiche, ergibt sich ein gegenüber Mutationen empfindlicher Teil von nur ca. 1%

"Wächter der Genoms"

1. Aufgaben:

• Zellzyklusarrest:
  Bei genomischem Stress wird P53 phosphoriliert, wodurch eine Ubiquitinierung (durch HDM-2) und der daraus folgende Abbau in Proteasomen im Zytosol verhindert wird.
  G1-Block: Stopp vor Restriktionspunkt. P53 sorgt für vermehrte expression von P21, was Fortschreiten des Zellzyklus durch Hemmung von D-Cyclin/CDK4/6-Komplexen bewirkt.
  G2-Block: Erfolgt bei unvollständiger/fehlerhafter Replikation oder Schädigung nach S-Phase. P53 verhindert dabei (über mehrere Schritte) die Aktivierung von B-Cyclin/CDK1-Komplexen und damit die Einleitung der Mitose
  Irreversibler Teilungsstopp: vorzeitige Zellalterung. Schäden nicht so groß, dass Apoptose eingleitet werden muss. P21 und P16 werden durch P53 exprimiert und Hemmen so Cyclin/CDK-Komplexe
• Einleiten der Apoptose:
  Bei gravierenden Schäden wird durch P53 das BAX-Protein exprimiert

P53 ist neben PB eines der oft bei Tumoren inaktiven Poteine. Da P53 ein Tetramer ist, reicht eine Mutation in einem codierenden Gen für Aktivitätsminderung

Name leitet sich von "Retinoblastom" ab (Tumorart im Auge)

• Wichtiger Bestandteil der Zellzyklus-Regulation.
• Wird zunächst durch wachstumsfaktor-abhängigen D-Cyclin/CDK4/6-Komplex phosphoriliert und zum Ende der G1-Phase durch den wachstumsfaktor-unbhängige E-Cyclin/CDK2-Komplex vollst. phosphoriliert.
• Entlässt nach Phosphorilierung Transkriptionsfaktor E2 F, welches für die gesteigerte Expression verschiedener Enzyme für die DNA-Replikation verantwortlich ist

Es ist kein einziger Tumor bekannt, bei dem RB (Tumorrepressor) nicht direkt oder indirekt fehl reguliert ist!

• Basen-Exzisionreparatur (BER)
  Bei oxidierter, alkylierter oder deaminierten Basen

1. DNA-Glykosylase entfernt beschädigte Base, d.h. Trennung von Zucker-Phosphat-Rückgrat.
   Bsp: Bei Desaminierung von Cytosin zu Uracil übernimmt dies Uracil-Glykosylase
2. Endonuklease trennt verbleibendes Desoxyribosephosphat aus DNA
3. (Exonuklease vergrößert ggf. Lücke bevor) DNA-Polymerase-beta baut unter Vorlage des Komplementärstranges Nukleotid ein
4. DNA-Ligase verbindet Nukleotid mit alter DNA

• Nukleotid-Exzisionsreparatur (NER)
  Bei "bulky lesions" (Stellen die DNA-Helix-Struktur durch Buckel stören) wie Pyrimidindimere und 6,4 Photoprodukte
  Wichtigster Reparaturmechnismus. Hier werden nicht einzelne Nukleotide in Fragmenten nacheinander entfernt, sondern ganze Abschnitte.
  Bsp. als folge der Thymindimerisierung (eingehen unverwünschter Verbindungen benachbarter Thymine duch z.B. UV-Strahlen)
• Korrekturlesen
  DNA-Polymerasen (delta und gamma) besitzen sowohl Synthese- als auch Korrektur-Mechnaismen, d.h. 3'-5'-Exonukleaseaktivität bei 5'-3'-Synthetisierung.
  Andere, wie z.B. DNA-Polym. beta dienen ausschließlich der Korrektur
  Hinzu kommt Mismatch-Reparatur bei Fehlpaarungen durch MMR-Proteine, welche die Arbeit der Polymerasen kontrollieren

• Nicht homologe Reparatur
  Erfolgt vor allem in G1- und früher S-Phase.
  Nukleotide weden um Bruch herum abgebaut, bis sich komplementäre Basenpaarungen ergeben. Dann werden beide Stränge ergänz und zusammengefügt.
  Es kommt hier häufig zu kleineren Fehlern, daher entspricht diese Reparatur eher Zusammenflicken
• Homologe Reparatur
  Bevorzugt während und kurz nach der S-Phase.
  Im Gegensatz zu n.homolog.Rep. ordentliche Reparation
  Reparatur erfolgt durch Abschreiben von homologem Chromosomenstrang (liegen in S-Phase dicht beieinander) - homologe Rekombination

- Verfahren: Direkte Reparatur

- Enzyme: DNA-Ligase

- Ursache: z.B. Verlust der Mythylierung oder Desaminierung von Cytosin (Daher Thymin statt Uracil in DNA!)

- Verfahren: Basenexisionsreparatur (BER)

- Enzyme: DNA-Glycosylasen, DNA-Polymerase beta, DNA-Ligase

- Ursache: z.B. Thermische Depurinierung, da N-glykosidische-Bindung bei Purin besonders labil (5000 pro Zelle und Tag)

- Verfahren: Basenexisionsreparatur (BER)

- Enzyme: DNA-Glycosylasen, DNA-Polymerase beta, DNA-Ligase

- Verfahren: Nukleotidexisionsreparatur (NER)

- Enzyme: Endonucleasen, DNA-Polymerasen und PCNA, DNA-Ligase, TF II H (transkriptionsgekoppelte Reparatur)

- Ursache: z.B. UV-induzierte Vernetzung von beachbarten Ts

- Verfahren: Nukleotidexisionsreparatur (NER)

- Enzyme: Endonucleasen, DNA-Polymerasen und PCNA, DNA-Ligase, TF II H (transkriptionsgekoppelte Reparatur)

- Ursache: zufällige Mutationen, Fehler der DNA-Polymerase bei Replikation

- Verfahren: Mismatch-Reparatur (MMR)

- Enzyme: MMR-Proteine

• MutSa (MSH2/MSH6) oder MutSß (MSH2/MSH3) für erkennung der Fehlpaarung
• MutL (MLH1/PMS2) und (MLH1/MLH3) für Strangdiskriminierung und Endonuklease
• DNA-Polymerade delta

Keimbahnmutationen: Werden an Nachkommen weitergegeben
Mutationen in somatischen Zellen(Körperzellen): Keine Weitergabe an Nachfahren, dafür Tumorentstehung

• Unproblematische Veränderungen (nur ca. 1% des Genoms empfindlich Gegenüber Mutationen)
  • Verbesserung / Evolution
  • Stille Mutation (Degeneriertheit / Whobble-Hypothese)
  • Mutation in Introns (i.d.R. folgenlos)
  • nicht-codierende/nicht-regulatorische Bereiche
  • ggf. Eintreten der Apoptose
• Problematische Veränderungen
  • Gene für Zellwachstum / regulierende Sequenzen (z.B. Mutation von P53 + unkontroll. Zellwachstum)
  • Codierende Bereiche (Änderungen auf RNA und ggf. im Protein)
  1. Substitution - Tausch einzelner Basen
     Muss nicht zwingend die Primärstruktur beinflussen (Degeneriertheit)
  2. Deletion / Insertion - Entfernen / Hinzufügen von Basen
     Führt zu Rasterverschiebung/Rasterschubmutation und somit i.d.R. zu groben Problemen. Günstigster Fall: Stoppcodon
  3. Strukturelle Chromosomenmutation
     • Balanciert (ohne Materialverlust)
       Inversion (Bruch und umgekehrt ansetzen, parazentrisch, perizentrisch)
       Reziproke Translokation (Bruch und Tausch mit noch hom. Chromosom)
     • Unbalanciert (Verlust oder Zugewinn)
       Deletion (Verlust v. Abschnitt)
       Duplikation (Verdopplung v. Abschnitt)
       Ringchromosom (Durch z.B. Deletion v. Telomeren und Zusammenwachsen der Enden)
       Robertson Translokation (Verschmelzen zweier akrozentr. Chromosome unter Verlust der kurzen Arme)
       Isochromosom (bestehend aus identischen Armen)
  4. Numerische Chromosomenmutation
     • Polyploidie (Vervielfachung des Chromosomensatzes)
     • Aneuploidie (Fehlen(Hypo-) oder Zugenwinn(Hyper-) einzelner Chromosomen)

Ort: Zellkernn (S-Phase)
Ziel: Kopieren der DNA für Zellteilung
Zucker: Desoxyribose
Bedeutung: Semikonservativ (halb erhaltende) Replikation (ein Strang bleibt erhalten)

Replikationsinitiation

1. Durch Überschreiten des Restriktionspunktes kommt es zur Phosphorilierung des RB-Proteins und somit zur Freizetzung von Transkriptionsfaktoren (zur Herstellung von S-Phasen-Proteinen)
2. Helikase trennt Stränge ⇒ Replikationsgabel
3. Topoisomerase verhindert Superhelices
4. Zinkfingerproteine, auch einzelstranbindende Proteine (SignleStrandBinding-Protein - SSB) verhindern, dass sich Stränke wieder verbinden
5. DNA-abhängige RNA-Polymerase "Primase" synthetisiert Primer (Komplex mit DNA-Polym.-alpha), Primer+Enzym=Primosom

Replikationselongation (zu Beginn: DNA-RNA-Hybrid)

• Leitstrang

1. DNA-Polymerase-delta ließt Basensequenz und hängt an 3'OH-Ende das passende dNTP unter Abspaltung von Pyrophosphat an
   WICHTIG: Synthese in 5'-3'-Richtung, d.h. Polymerase ließt in 3'-5' Richtung!

• Folgestrang

1. DNA-Polymerase-alpha-Primase-Komplex setzt in gewissen Abständen Primer und synthetisiert zwischen diesen Abschnitten ⇒ Okazaki-Fragmente (150-200 Nukleotide)

• Entfernen der Primer und Füllen der Lücken erfolgt durch DNA-Polymerase-alpha
• DNA-Ligase verbindet die Lücken zwischen Okazaki-Fragmenten und Nukleotiden (Ligase ist Synthetase, d.h. Hydrolyse von ATP nötig)

Replikationstermination

1. Polymerasen arbeiten bis sie auf andere Polymerase treffen. Dauer für gesamte Replikation ca. 7 Std.