Homologe Rekombination

Eine wesentliche Voraussetzung für die DNA-Replikation ist die Aufrechterhaltung der Integrität des genetischen Materials. Aus diesem Grund werden Doppelstrangbrüche bevorzugt durch homologe Rekombination repariert und sie wird typischerweise nach der DNA-Synthese durchgeführt, wenn sich die beiden Tochter-DNA-Moleküle in unmittelbarer Nähe befinden und eines als Vorlage für die Reparatur des anderen dienen kann.

In Eukaryoten baut ein Proteinkomplex namens MRN, der aus spezialisierten Nukleasen besteht, die beschädigten Enden der DNA ab, während die Enden aneinander gebunden sind. Die DNA bleibt mit einzelsträngigen Überhängen von 3-4 Nukleotiden mit einem 3'-OH-Ende zurück. Dieser einzelsträngige Abschnitt wird durch RPA-Proteine stabilisiert, bis Rad51 - Homolog des prokaryotischen Proteins RecA - durch ATP aktiviert wird und an die DNA bindet und ein Filament bildet.

Im Filament liegt die DNA in Form von Nukleotiden vor, wobei das DNA-Rückgrat zwischen benachbarten Tripletts abgewickelt wird. Dieses DNA-Protein-Filament bindet an eine Duplex-DNA von einem Schwesterchromatid, indem es die intakte Matrizen-DNA dehnt und destabilisiert, so dass die beiden Stränge leicht auseinandergezogen werden können und der gebrochene Strang versuchen kann, sich an die Matrize zu binden, ein Prozess, der als Stranginvasion bekannt ist.

Der eindringende Strang sucht nach unbeschädigten, homologen Sequenzen in der genomischen DNA, indem er versucht, Basenpaare in einem Block von drei Nukleotiden zu bilden. Wenn die Basenpaare nicht übereinstimmen, dissoziiert die eindringende DNA und sucht nach anderen homologen Regionen. Wenn ein Triplett aus dem eindringenden Strang mit dem Template übereinstimmt, werden die nächsten drei Nukleotide abgetastet.

Wenn eine Sequenz für einen Abschnitt von mindestens fünf Tripletts übereinstimmt, bildet sich eine Verdrängungsschleifenstruktur, wobei die DNA-Polymerase den eingedrungenen Strang als Vorlage verwendet.

Anschließend verdrängt eine Helikase den nun ausgestreckten eindringenden Strang, der sich mit dem unbeschichteten beschädigten Strang basepaart. Als nächstes glüht der zweite beschädigte Strang an den komplementären Strang der Matrizen-DNA für eine weitere Runde der DNA-Synthese. Schließlich dissoziieren die Schwesterstränge und eine DNA-Ligase versiegelt die Kerben, wodurch die reparierten Helices wiederhergestellt und eine genaue Reparatur des intakten Chromosoms sichergestellt wird.