Biologie – School

Nukleotid-Exzisionsreparatur (NER)

Was ist NER?

Die Nukleotid-Exzisionsreparatur (NER) ist ein essenzieller DNA-Reparaturmechanismus, der auf die Entfernung von strukturellen Schäden an der DNA abzielt. Besonders effektiv ist NER bei der Reparatur von UV-induzierten Pyrimidin-Dimeren sowie chemisch bedingten DNA-Veränderungen. Durch die Reparatur dieser Schäden schützt NER die Zellen vor genetischen Mutationen und sorgt für die Aufrechterhaltung der Genomstabilität. Ohne NER würde die Zelle einer zunehmenden Gefahr durch DNA-Schäden ausgesetzt, die zu Krebs oder anderen Erkrankungen führen könnten.

Ablauf der Reparatur

Der Prozess der Nukleotid-Exzisionsreparatur erfolgt in mehreren präzise abgestimmten Schritten, die zusammen die Entfernung und Korrektur von DNA-Schäden ermöglichen.

Schritt 1: Schadensentdeckung
Schäden an der DNA werden durch spezialisierte Proteine erkannt, die auf Verzerrungen in der DNA-Struktur reagieren. Beim Global-Genom-NER (GG-NER) erfolgt die Identifikation dieser Schäden unabhängig von der Transkription und bezieht das gesamte Genom ein.
Schritt 2: Öffnung der DNA
Der TFIIH-Komplex, der die Enzyme XPB und XPD enthält, ist verantwortlich für das Entwirren der DNA-Doppelhelix an der Schadensstelle. Diese lokale Öffnung der DNA ermöglicht es den Reparaturfaktoren, auf den Schaden zuzugreifen.
Schritt 3: Schadensbestätigung
Die Proteine XPA und RPA spielen eine zentrale Rolle bei der Verifizierung der beschädigten Region. Sie stellen sicher, dass der Schaden präzise lokalisiert wurde und die Reparatur ordnungsgemäß durchgeführt wird.
Schritt 4: Ausschneiden des Schadens
Spezialisierte Endonukleasen, insbesondere XPF-ERCC1 und XPG, schneiden die beschädigte DNA heraus. XPF-ERCC1 schneidet auf der 5′-Seite des Schadens, während XPG auf der 3′-Seite den Schnitt setzt. Dadurch wird ein DNA-Fragment entfernt, das den Schaden enthält.
Schritt 5: DNA-Synthese
Nun erfolgt die Synthese der fehlenden DNA-Sequenz. DNA-Polymerasen füllen die entstandene Lücke mit neuen, korrekten Nukleotiden auf. Dieser Schritt ist wichtig, um die Integrität der DNA wiederherzustellen.
Schritt 6: Ligation
Im letzten Schritt verbindet die DNA-Ligase I die neuen DNA-Fragmente mit der bestehenden DNA und stellt so die vollständige Integrität der reparierten DNA-Struktur wieder her.

Folgen eines Defekts in NER

Akkumulation von DNA-Schäden
Ein defektes NER-System führt zu einer mangelnden Reparatur von DNA-Schäden. Dies blockiert nicht nur die DNA-Replikation und Transkription, sondern beeinträchtigt auch viele andere zelluläre Prozesse, die für das Überleben und die Funktion der Zelle notwendig sind.
Erhöhtes Mutationsrisiko
Unzureichend reparierte Schäden können zu Mutationen führen, die die genomische Stabilität gefährden. Besonders das Risiko für die Entstehung von Krebs, vor allem Hautkrebs, wird durch Defekte im NER-System signifikant erhöht.

Erkrankungen durch NER-Defekte:
– Xeroderma pigmentosum (XP): Diese Erkrankung zeichnet sich durch eine extreme Empfindlichkeit gegenüber UV-Strahlung aus. Betroffene entwickeln frühzeitig Hautkrebs und leiden häufig an schweren Hautschäden.
– Cockayne-Syndrom (CS): Patienten mit CS zeigen Symptome wie Entwicklungsstörungen, neurologische Defekte und eine beschleunigte Alterung, die durch eine ineffektive DNA-Reparatur hervorgerufen werden.
– Trichothiodystrophie (TTD): Eine seltene Störung, die durch Störungen in der NER-Reparaturmechanik zu einer Vielzahl von Symptomen führt, einschließlich Wachstumsmangel und Hautproblemen.

Genomische Instabilität
Ein Defekt im NER-System führt zu einer Ansammlung von DNA-Schäden und einer Erhöhung der genomischen Instabilität. Dies begünstigt die Tumorbildung und beschleunigt den Alterungsprozess der Zellen.
Beeinträchtigte Zellteilung
Zellen mit nicht reparierten DNA-Schäden teilen sich entweder fehlerhaft oder sterben ab. In einigen Fällen kann dies zu einer unkontrollierten Zellproliferation führen, was wiederum Krebs auslösen kann.

NER in Eukaryoten

In Eukaryoten, wie zum Beispiel menschlichen Zellen, wird NER durch ein komplexes Netzwerk von Proteinen durchgeführt. Dabei spielen unter anderem die Proteine XPA, XPC und TFIIH eine entscheidende Rolle. TFIIH ist besonders wichtig, da es die DNA an der Schadensstelle entwindet, während XPA und XPC helfen, den Schaden genau zu lokalisieren und zu bestätigen. Der Reparaturmechanismus funktioniert ähnlich wie bei Prokaryoten, jedoch ist er für die komplexeren Strukturen der eukaryotischen DNA optimiert

Autosomale Vererbung

Autosomal Rezessiv

Autosomal rezessiv bedeutet, dass eine Person zwei Kopien eines mutierten Gens (eine von jedem Elternteil) haben muss, damit die Krankheit oder Eigenschaft ausgeprägt wird. Wenn eine Person nur eine mutierte Kopie hat, ist sie Träger, zeigt aber keine Symptome. Beispiele für autosomal-rezessive Erbkrankheiten sind Mukoviszidose und Sichelzellanämie.

Beispiel: Mondscheinkrankheit

Ursache: Defekt im DNA-Reparatursystem (Nukleotid-Exzisionsreparatur, NER)
Folge: DNA-Schäden durch UV-Strahlung können nicht repariert werden
Symptome:
– Extreme Lichtempfindlichkeit (Sonnenlicht führt zu Hautschäden)
– Hohe Anfälligkeit für Hautkrebs
– Frühes Auftreten von Pigmentflecken und Hautalterung
– In schweren Fällen neurologische Beeinträchtigungen

Autosomal Dominant

Autosomal dominant bedeutet, dass eine Person die Krankheit bereits entwickelt, wenn sie eine mutierte Genkopie von nur einem Elternteil erbt. Die Wahrscheinlichkeit, das veränderte Gen an Nachkommen weiterzugeben, beträgt 50 %. Typischerweise tritt die Krankheit in jeder Generation auf.

Beispiel: Marfan-Syndrom

Ursache: Genetischer Fehler, bei der keine normale Entwicklung des Bindegewebes mögliches ist
Symptome: überdehnbare Gelenke, schmaler/ langer Körper, Ausweitung/ Risse von Blutgefäßen (besonders gefährlich: Aorta)
Behandlung: grundsätzlich nicht heilbar, aber Einnahme von Medikamente kann zur Verlangsamung und Schwächeren von Herzkontraktionen beitragen
– 50% Chance an der Krankheit zu leiden –> Eintritt nach Kindesalter
– 1-2 von 10.000 Menschen

Individuen mit günstigen Merkmalen vererben ihre
Merkmale häufiger – Selektionsformen

Fitnessfunktion = Phänotyp (Merkmalsausprägung)+ Fortpflanzungserfolg

In der Aktuellen Generation sehen wir uns den Mittelwert zwei extremen an: Sehr kurze Schwanzfedern und sehr lange Federn. Zu sehen ist, dass der Mittelwert am meisten vertreten ist, wobei die Zahl der Vögel mit dem Merkmale sehr lang oder sehr kurz in Richtung der Extremen sinkt.

Mittelpunkt der Extremen hat eine höhere Fitness

Die normale Länge der Federn hat einen durchschnittlich größere Fitness, in Richtung der beiden Maxima sinkt der Erfolg je weiter man in Richtung der extreme geht.

Gründe der Anpassung

Flustabilisierung
Balanz und Kommunikation
Hilft beim bremsen und landen
Thermoregulation

Die nächste Generation

In der nächsten Generation dominiert die Anzahl der Vögel mit normallangen Federn. Vögel mit sehr langen und sehr kurzen Federn sterben aufgrund geringerem Fortpflanzungserfolg aus.

Die Evolution der Stichlinge in kanadischen Seen

Veränderung in der Population

Die Dreistachligen Stichlinge haben sich in kanadischen Seen aufgrund ökologischer Anpassungen und reproduktiver Isolation in zwei Formen aufgespalten: Freiwasser-Stichlinge leben im offenen Wasser und sind auf Plankton spezialisiert, während Benthos-Stichlinge den Gewässerboden bewohnen und bodenlebende Organismen fressen. Die morphologischen und ökologischen Unterschiede sowie unterschiedlichen Laichzeiten, haben zur sympatrischen Artbildung geführt, da sie im gleichen Gebiet leben, jedoch reproduktiv isoliert sind. Dies veranschaulicht die Wirkung natürlicher Selektion und ökologischer Isolation auf die Artbildung.

Wirkende Evolutionsfaktoren

Die Evolution der Dreistachligen Stichlinge wurde durch Mutation (genetische Vielfalt), natürliche Selektion (Anpassung an Nahrungsressourcen), Isolation (ökologische und zeitliche Trennung) sowie genetische Drift (zufällige Veränderungen) geprägt. Diese Faktoren führten zur sympatrischen Artbildung in den kanadischen Seen.

Begriffsklärung

Dies beschreibt den Bodenbereich eines Gewässers, also die tiefste Zone, in der Organismen leben, die mit dem Grund in Kontakt stehen. Hier finden sich bodenlebende Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen.

Diese Zone bezieht sich auf den offenen Wasserbereich eines Sees oder Teiches, der sich über dem benthischen Bereich befindet. In der limnischen Zone leben Organismen, die eher frei im Wasser schweben oder schwimmen, wie Plankton und Fischarten, die sich in mittleren bis oberen Wasserschichten aufhalten.

Bei sympatrischer Artbildung entstehen neue Arten ohne geografische Trennung – die Population lebt im gleichen Gebiet, aber es entstehen unterschiedliche ökologische oder genetische Gruppen.

Mit der Zeit entwickeln sich diese Gruppen zu getrennten Arten.

Unterschiedliche Nahrungsquellen, Fortpflanzungszeiten oder Paarungsgewohnheiten führen zur reproduktiven Isolation.