NHEJ-Mechanismen zur Reparatur von Doppelstrangbrüchen (DSBs)

DNA-Doppelstrangbrüche (DSBs) entstehen durch Unterbrechung des Phosphodiester-Rückgrats auf beiden Strängen der DNA-Doppelhelix. Die nicht-homologe Endverbindung (Non-homologous end joining, NHEJ) scheint der wichtigste Mechanismus zur Reparatur von DSBs in Säugetierzellen zu sein. Dieser Weg erfordert keine Homologie und kann „rejoin broken“ DNA-Enden direkt, Ende-zu-Ende, wieder verbinden. Es wurde vermutet, dass die Reparatur von DSBs über NHEJ in drei Schritten abläuft:

• Endbindung und Überbrückung,
• terminale Verarbeitung und
• Ligation (Pastwa E et al. 2003).

Im ersten Schritt bindet das Ku70/80-Heterodimer die DNA-Enden (die Endbindungsaktivität des Ku70/80-Heterodimers deutet darauf hin, dass es der primäre Schadensdetektor bei NHEJ sein könnte), richtet sie aus und bereitet so die Enden für die Ligation vor und schützt sie vor Abbau. Ku70/80 besteht aus zwei ATP-abhängigen DNA-Helikasen II-Untereinheiten, 70 kDa und 80 kDa (Ku70 und Ku80). Dieser Komplex rekrutiert die DNA-aktivierte Proteinkinase (DNA-PK) an den DSBs und aktiviert ihre Kinasefunktion (Pastwa E et al. 2003).

Schließlich bindet die DNA-PK an den Komplex aus DNA-Ligase IV und XRCC4 (X-ray repair cross complementing protein 4) und phosphoryliert ihn. Danach interagiert Casein-Kinase II - phosphoryliertes XRCC4 mit Polynukleotidkinase (PNKP), die als 5'-Kinase/3'-Phosphatase fungiert, um 5'-Phosphat/3'-Hydroxyl-Termini zu bilden, die eine notwendige Voraussetzung für die Ligation während der Reparatur sind (Koch CA et al. 2004).

Der Nukleasekomplex MRN kann auch an der terminalen Verarbeitung von NHEJ sowie an der Schadenssignalisierung und dem Schutz der Enden vor dem Abbau teilnehmen. Der MRN-Komplex besteht aus dem Doppelstrangbruch-Reparaturprotein (Mre11), dem Rad50-Homolog (S. cerevisiae) (Rad50) und dem Nijmegen-Bruchsyndrom-1-Protein (Nibrin). Der MRN-Komplex kann über den Brca1/Rad50-Weg aktiviert werden (Zhong Q et al. 2002).

Weitere Proteine, die an der Endverarbeitung beteiligt sind, sind die DNA-Polymerase mu (Mahajan KN et al. (2002), die Exonuklease flap structure-specific endonuclease 1 (FEN1) und die Werner-Syndrom-Helikase (WRN). Ku70/80 interagiert mit WRN und stimuliert die Exonukleaseaktivität von WRN (Li B et al. 2002). Die Fähigkeit von WRN, die Spaltung von DNA-Replikations-/Reparatur-Zwischenprodukten durch FEN1 zu erleichtern, könnte für die Rolle von WRN bei der Aufrechterhaltung der Genomstabilität von Bedeutung sein.

Ein bedeutender Teil des DNA-Cross-Link-Reparatur-Proteins 1C, Artemis, existiert in der Zelle im Komplex mit DNA-PK, das nach seiner Phosphorylierung durch DNA-PK zu einer Endonuklease wird (Ma Y et al. 2002). Nach dem Abschneiden überschüssiger oder beschädigter DNA kann der Artemis/DNA-PK-Komplex zerfallen, was die Bindung des Ligasekomplexes XRCC4/DNA-Ligase IV ermöglicht, der die Verbindung vollendet . Darüber hinaus können sog. „stille Horologe“ (Sirtuine)  zur Regulierung der Paarungsinformation an der DSB-Reparatur beteiligt sein. Das Vorhandensein von Sirtuinen an DNA-Schadensstellen und ihre Interaktion mit Ku70/80 deuten darauf hin, dass sie die Zugänglichkeit der gebrochenen Enden für DNA-verarbeitende Enzyme und/oder für Ku70/80 bei der NHEJ beeinflussen könnten (Bailey SM et al. (1999).

1. Bailey SM et al. (1999) DNA double-strand break repair proteins are required to cap the ends of mammalian chromosomes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 96:14899-14904
2. Koch CA et al. (2004) Xrcc4 physically links DNA end processing by polynucleotide kinase to DNA ligation by DNA ligase IV. The EMBO journal 23:3874-3885Pastwa E et al. (2003) Non-homologous DNA end joining. Acta biochimica Polonica 50:891-908
3. Mahajan KN et al. (2002) Association of DNA polymerase mu (pol mu) with Ku and ligase IV: role for pol mu in end-joining double-strand break repair. Molecular and cellular biology 22:5194-202
4. Pastwa E et al. (2003) Non-homologous DNA end joining. Acta biochimica Polonica 50:891-908
5. Zhong Q et al. (2002) Deficient nonhomologous end-joining activity in cell-free extracts from Brca1-null fibroblasts. Cancer research 62:3966-3970