Cyclobutan-Pyrimidin-Dimer

Der ultraviolette Strahlungsanteil aus dem Sonnenlicht, besonders die energiereichen UV-B-Strahlen, schädigt die Erbsubstanz, indem er photochemische Reaktionen zwischen den Basen der DNA auslöst. Etwa 75% dieser Schäden können dem so genannten CPD-Typ (CPD= Cyclobutan-Pyrimidin-Dimere) zugerechnet werden. Dieser Typus entsteht dadurch, dass 2 benachbarte Pyriminbasen (z.B. Thyminbasen) unter UVB-Strahlung eine überaus stabile zyklische Verbindung eingehen (Cyclophbutan-Pyrimidin-Dimere).

Weiterhin entstehen (nicht-zklische) 6-4- Pyrimidin-Pyrimidon-Photoprodukte (6-4-PP) der DNA. CPDs und 6-4-PP entstehen in einem Verhältnis von 10:1, sodass schon rein numerisch die biologische Bedeutung der CPDs überwiegt.

Obwohl dadurch die Struktur der DNA zunächst nur geringfügig gestört wird, wirken sich CPD-Schäden sehr stark auf die Zelle aus, da die biochemischen DNA-Reaktionen an diesen Schädigungsstellen unvermittelt gestoppt werden. Unreparierte CPDs und 6-4PPs verursachen UV-"signature mutations" , die für Karzinome der Haut charakteristisch sind.

Die chemische Reparatur der CPD-Schäden durch körpereigene Repair-Systeme wird dadurch erschwert, dass die bei der Verknüpfung der Thyminbasen entstandenen Cyclobutanringe sehr stabil und damit nur schwer zu "spalten" sind. Photolyasen, die der Mensch allerdings selbst nicht bildet, sind in der Lage diese CPD-Schäden wieder zu beheben.  

Es konnte nachgewiesen werden, dass Photolyasen in liposomaler „Verpackung“ in die Keratinozyten penetrieren kann. Dort findet eine Translokation der Photoyase in den Zellkern statt. Das Enzym bindet nun an die defekte DNA und transformiert diese so, dass die schadhafte DNA-Sequenz vollständig in das aktive Zentrum des Enzyms ausklappt wird. Dieses "Herausklappen" von zwei defekten zyklisch verbundenen Thyminbasen aus der DNA-Doppelhelix bewirkt, dass die schadhafte Sequenz den "katalytischen Kofaktor" unmittelbar kontaktiert. Diesen sehr speziellen DNA-Reparaturmechanimus bezeichnet man als Photoreaktivierung.

1. Essen LO et al. (2006) Light-driven DNA repair by photolyases. Cell Mol Life Sci. 63:1266-1277.
2. Fortunato AE et al. (2015) Dealing with light: the widespread and multitasking cryptochrome/photolyase family in photosynthetic organisms. J Plant Physiol 172:42-54.
3. Liu Z et al. (2015) Dynamics and mechanisms of DNA repair by photolyase. Phys Chem Chem Phys 17:11933-11949.