Transläsion-DNA-Synthese

Die Studien von Evelyn Witkin, die mit Bakterien arbeitete, die durch UV-Bestrahlung abgetötet, aber nicht mutiert werden konnten, brachten das Konzept der schadensinduzierbaren, fehleranfälligen Transläsion-DNA-Synthese. Diese Ideen wurden 1970 von Miroslav Radman in einem privat verbreiteten Brief weiter ausgebaut, in dem er vorschlug, dass die "SOS-Replikation" das Ergebnis der Induktion einer fehleranfälligen DNA-Polymerase unter der Kontrolle der recA- und lexA-Gene sei. Diese Idee entwickelte sich später zur "SOS-Reparatur-Hypothese".

Interessanterweise war die schadensinduzierte Mutagenese (s.u. induzierte Mutation) nicht nur von chromosomal kodierten bakteriellen Genen abhängig, sondern konnte auch dramatisch gesteigert werden, wenn das Wirtsbakterium bestimmte selbstübertragbare R-Plasmide, wie ColIb oder R-Utrecht (R205), beherbergte.

Donald MacPhee wies in den frühen 70er Jahren sogar nach, dass R-Utrecht für eine fehleranfällige DNA-Polymerase kodiert. Die Fähigkeit von R-Plasmiden, die zelluläre Mutagenese zu steigern, veranlasste Ames und Kollegen, pKM101 in Salmonella-Stämme einzuführen, die sie zum Nachweis von Karzinogenen entwickelt hatten, um die Empfindlichkeit ihrer Tests zu erhöhen. Weitere Unterstützung für den Begriff der so genannten "Mutageneseproteine" wurde kurz darauf geliefert, als Kato und Shinoura umu/uvm-Stämme von E. coli isolierten, die spezifisch defekt für die schadensinduzierte Mutagenese waren. Interessanterweise ergab die DNA-Sequenzanalyse der mutagenesefördernden Gene von pKM101 (genannt mucAB), dass sie eng mit den umuDC-Genen von E. coli verwandt sind. Viele dieser R-Plasmide sind inzwischen vollständig sequenziert worden, und es hat sich gezeigt, dass sie, ähnlich wie pKM101, Orthologe der E. coli umuDC-Gene beherbergen.

Die Transläsion-DNA-Synthese ist ein Begriff aus der Genetik. Die Transläsions-DNA-Synthese, kurz TLS, ist ein genetischer Mechanismus, der es der Zelle ermöglicht, eine beschädigte DNA zu replizieren, wenn die herkömmlichen DNA-Replikationsmechanismen aufgrund von Schäden an der DNA blockiert sind. Um dies zu gewährleisten treten bei der Transläsion-DNA-Synthese spezialisierte DNA-Polymerasen an die Stelle der normalen DNA-Polymerasen, die in der Lage sind, trotz fehlerhafter DNA-Sequenz die Replikation fortzusetzen.

Die menschliche Zelle besitzt fünf Transläsions-DNA-Polymerasen (Pol I - V), die über beschädigte Stellen hinweg synthetisieren können. Teilweise sind sie für eine Schadensart spezifisch und können das korrekte Nukleotid auf dem neuen Strang einbauen. Kann die ursprüngliche Sequenz jedoch nicht identifiziert werden, wird ein zufälliges Nukleotid eingebaut. Man weiß heute, dass TLS weitgehend durch spezialisierte DNA-Polymerasen erleichtert wird, die sperrige Addukte in ihren aktiven Stellen unterbringen können. Pol V kann ein breites Spektrum an DNA-Läsionen durchqueren und führt den Großteil der mutagenen TLS durch, während Pol II und Pol IV eher spezialisierte TLS-Polymerasen zu sein scheinen.

Diese spezialisierten DNA-Polymerasen können über beschädigte Basenpaare kopieren, was normalerweise zu Mutationen führt. Obwohl die Transläsion-DNA-Synthese dazu beiträgt, die DNA-Replikation aufrechtzuerhalten, birgt sie auch das Risiko von genetischen Veränderungen, die zu Krankheiten wie Krebs führen können. Daher ist die Regulation dieses Prozesses von großer Bedeutung für die Zellgesundheit.

Alle lebenden Organismen sind ständig Agenzien ausgesetzt, die ihre DNA schädigen und damit die Integrität ihres Genoms gefährden. Infolgedessen sind die Zellen mit einer Vielzahl von DNA-Reparaturenzymen ausgestattet, um die geschädigte DNA zu entfernen. Dennoch kommt es zu Situationen, in denen Läsionen bestehen bleiben, die den Fortgang der Replikase der Zelle blockieren. In solchen Situationen sind die Zellen gezwungen, zwischen rekombinationsvermittelten "Schadensvermeidungs"-Wegen oder dem Einsatz einer spezialisierten DNA-Polymerase (Pol I-V) zu wählen, um die blockierende Läsion zu überwinden. Der letztgenannte Prozess wird als Transläsion-DNA-Synthese (TLS) bezeichnet.

1. Shilkin ES et al. (2020) Translesion DNA Synthesis and Carcinogenesis. Biochemistry (Mosc) 85:425-435.
2. Vaisman A et al. (2012) Translesion DNA Synthesis. EcoSal Plus 5:10.1128/ecosalplus.7.2.2.