DNA-herstel: definitie, oorzaken van DNA-schade en herstelmechanismen
Leer alles over DNA‑herstel: oorzaken van DNA‑schade, gevolgen en essentiële herstelmechanismen voor celgezondheid, mutaties en veroudering.
Onder DNA-herstel wordt verstaan het proces waarbij een cel schade aan zijn DNA-moleculen opspoort en herstelt.
In cellen beschadigen normale stofwisselingsactiviteiten en omgevingsfactoren zoals UV-licht en straling het DNA. Er zijn wel een miljoen moleculaire beschadigingen per cel per dag. Veel van deze beschadigingen veroorzaken structurele schade aan het DNA-molecuul en kunnen het vermogen van de cel om het aangetaste gen te transcriberen veranderen of elimineren. Andere beschadigingen veroorzaken potentieel schadelijke mutaties in het genoom van de cel, die van invloed zijn op de overleving van de dochtercellen van de cel na de deling. Het DNA-herstelproces moet voortdurend actief zijn zodat het snel kan reageren op elke beschadiging van de DNA-structuur.
De herstelsnelheid van het DNA hangt af van vele factoren, waaronder het celtype, de leeftijd van de cel, en de extracellulaire omgeving. Een cel die veel DNA-schade heeft opgelopen, of een cel die schade niet meer effectief herstelt, kan in een van de volgende drie toestanden terechtkomen:
- Herstel en voortzetting van de normale functie: als de schade op tijd en correct wordt hersteld, kan de cel doorgaan met normale celfuncties en -delingen.
- Geprogrammeerde celdood (apoptose) of autophagie): bij ernstige of irreversibele schade activeert de cel systemen die zelfvernietiging in gang zetten om te voorkomen dat beschadigde cellen zich delen en schade verspreiden.
- Blijvende arrestatie of foutief herstel met mutaties: de cel kan in een permanente niet-delende staat (senescentie) terechtkomen, of — als herstelmechanismen mislukken of verkeerd werken — doorgaan met delen met mutaties die leiden tot genomische instabiliteit en mogelijk kanker.
Oorzaken van DNA-schade
- Externe factoren: UV-straling (zet thymidine-dimeren), ioniserende straling (breuken in de dubbele helix), chemische carcinogenen (alkylerende middelen, polycyclische aromatische koolwaterstoffen), en sommige medicijnen.
- Interne factoren: reactieve zuurstofsoorten (ROS) uit normale stofwisseling, spontane deaminatie of depurinatie van basen, en fouten tijdens de DNA-replicatie.
- Biologische processen: transposons, virale integratie en fouten tijdens homologe recombinatie.
Soorten DNA-schade
- Basebeschadiging: chemische wijziging van individuele basen (oxidering, alkylatie, deaminatie).
- Mismatch: verkeerde baseparing na replicatie (bv. G–T in plaats van G–C).
- Enkelstrengsbreuken (SSB): onderbreking in één DNA-streng.
- Dubbelstrengsbreuken (DSB): beide strengen zijn gebroken — zeer gevaarlijk voor de cel.
- Uitval van basen (AP-sites): plaatsen waar een base ontbreekt.
- Bulky adducts en thymidine-dimeren: grote chemische veranderingen die replicatie en transcriptie blokkeren.
Opsporing en signalering van schade
Cellen hebben sensorproteïnen (bv. ATM, ATR, PARP) die DNA-schade detecteren en een signaalcascade activeren die celdelingscycli kan stoppen (checkpoint-activatie), herstelprocessen inschakelt, of apoptose activeert. Belangrijke effectors zijn onder andere het eiwit p53, dat genen activeert die betrokken zijn bij celdood, herstel en celcyclus-arrest.
Belangrijkste DNA-herstelmechanismen
- Directe reversie: specifieke enzymen herstellen bepaalde schade direct zonder verlies van nucleotiden (bv. fotolyasen voor UV-schade in sommige organismen; methyltransferasen herstellen gemethyleerde basen).
- Base excision repair (BER): verwijdert beschadigde individuele basen en vult het gat op; belangrijk bij oxiderende en kleine chemische beschadigingen.
- Nucleotide excision repair (NER): verwijdert grote, bulkende DNA-damagedelen zoals thymidine-dimeren of chemische adducten; essentieel voor herstel van UV-schade.
- Mismatch repair (MMR): corrigeert fouten die tijdens replicatie zijn ontstaan, zoals verkeerde baseparen en kleine inserties/deleties.
- Homologe recombinatie (HR): foutloos herstel van dubbelstrengsbreuken met gebruik van een intacte zusterchromatide als sjabloon; actief in S- en G2-fase.
- Niet-homologe end-joining (NHEJ): sneltunnelmechanisme voor dubbelstrengsbreuken dat DNA-einden samenvoegt zonder sjabloon — sneller maar foutgevoeliger dan HR.
- Translesie DNA-synthese (TLS): gespecialiseerde polymerasen repliceren over DNA-lesies heen om replicatiestilstand te vermijden, maar vaak met verhoogde foutfrequentie.
Factoren die DNA-herstel beïnvloeden
- Celcyclusfase: bepaalde mechanismen (bv. HR) zijn alleen beschikbaar tijdens of na DNA-replicatie.
- Chromatine-structuur: streng verpakt DNA is minder toegankelijk voor herstelenzymen.
- Leeftijd en celtype: ouder wordende cellen en postmitotische cellen hebben vaak verminderde herstelcapaciteit.
- Genetische aanleg: mutaties in herstelgenen (bv. BRCA1/2, MLH1, MSH2) verminderen reparatie en verhogen kans op kanker.
- Omgevingsfactoren: voeding, blootstelling aan toxines, en oxidatieve stress spelen een rol.
Gevolgen van defect DNA-herstel
Wanneer herstelmechanismen falen of onjuist werken kan dat leiden tot:
- Accumulation van mutaties en chromosomale aberraties.
- Verhoogd risico op kanker (bv. xeroderma pigmentosum bij gebrek aan NER; Lynch-syndroom bij defecten in MMR; borst- en eierstokkanker bij BRCA-mutaties).
- Versnelde veroudering, organfunctieverlies en verhoogde gevoeligheid voor genotoxische middelen.
Klinische relevantie en toepassingen
- Genetische tests die herstelgenen screenen helpen bij risico-inschatting voor erfelijke kankers.
- Veel kankertherapieën (chemotherapie, bestraling) werken door DNA-schade te veroorzaken; tumoren met defecten in bepaalde herstelroutes kunnen gevoeliger zijn voor deze behandelingen.
- Gerichte therapieën gebruiken deze kwetsbaarheden, bijvoorbeeld PARP-remmers bij tumoren met BRCA-deficiëntie (synthetische lethality).
- Preventieve maatregelen zoals zonnebescherming, beperken van blootstelling aan carcinogenen en gezonde voeding kunnen bijdragen aan minder DNA-schade.
Onderzoek en diagnostiek
In laboratoria en kliniek worden verschillende methoden gebruikt om DNA-schade en herstelcapaciteit te meten, bijvoorbeeld de comet-assay (DNA-breuken), γ-H2AX-foci (DSB-markering), sequencing voor mutatieanalyse en functionele tests voor specifieke herstelroutes.
Samenvattend is DNA-herstel een complex en dynamisch systeem dat essentieel is voor het behoud van genetische integriteit. Een goed werkend herstelstelsel beschermt tegen mutaties en kanker, terwijl defecten in deze mechanismen belangrijke oorzaken zijn van ziekte en veroudering.
DNA-schade met meerdere chromosoombreuken tot gevolg
DNA reparatie
De snelheid waarmee DNA wordt hersteld, hangt af van vele factoren, waaronder het celtype, de leeftijd van de cel en de extracellulaire omgeving. Veel genen waarvan aanvankelijk werd aangetoond dat zij de levensduur beïnvloeden, blijken betrokken te zijn bij het herstel en de bescherming van DNA-schade.
Schade en mutatie
DNA-schade en mutatie zijn fundamenteel verschillend.
- Beschadigingen zijn fysieke afwijkingen in het DNA, zoals enkel- en dubbelstrengsbreuken. DNA-beschadigingen kunnen door enzymen worden herkend, en dus worden gerepareerd. Voor reparatie is de onbeschadigde sequentie in de complementaire DNA-streng of in een homoloog chromosoom nodig. Als een cel DNA-beschadigingen behoudt, kan de transcriptie van een gen worden verhinderd, waardoor ook de vertaling in een eiwit wordt geblokkeerd. Ook de replicatie kan worden geblokkeerd of de cel kan afsterven.
- Een mutatie is een verandering in de basevolgorde van het DNA. Een mutatie kan niet door enzymen worden herkend zodra de baseverandering in beide DNA-strengen aanwezig is, zodat een mutatie niet kan worden gerepareerd. Op cellulair niveau kunnen mutaties leiden tot veranderingen in de functie en regulering van eiwitten. Mutaties worden gerepliceerd wanneer de cel repliceert. In een celpopulatie zullen mutantcellen in frequentie toe- of afnemen, afhankelijk van de effecten van de mutatie op het vermogen van de cel om te overleven en zich te reproduceren.
Hoewel zij van elkaar verschillen, zijn DNA-beschadigingen en mutaties met elkaar verwant omdat DNA-beschadigingen vaak fouten in de DNA-synthese veroorzaken tijdens de replicatie of reparatie; deze fouten zijn een belangrijke bron van mutatie. DNA-beschadigingen in frequent delende cellen zijn, omdat zij aanleiding geven tot mutaties, een belangrijke oorzaak van kanker. Daarentegen zijn DNA-beschadigingen in weinig delende cellen waarschijnlijk een belangrijke oorzaak van veroudering.
2015 Nobelprijs onderzoek
De Nobelprijs voor scheikunde 2015 ging naar drie wetenschappers die elk een deel van het DNA-reparatieverhaal hebben ontdekt.
- Tomas Lindahl FRS, die Zweeds is en in het VK werkt, ontdekte een mechanisme dat base excision repair wordt genoemd. Het gaat de afbraak van DNA tegen.
- De in Turkije geboren Aziz Sancar, professor aan de Universiteit van Noord-Carolina, vond een andere DNA-reparatie die nucleotide-excisie reparatie wordt genoemd.
- De Amerikaan Paul Modrich, aan de Duke University in North Carolina, toonde aan hoe cellen DNA-fouten corrigeren die tijdens de celdeling optreden. Dit mechanisme, dat mismatch repair wordt genoemd, resulteert in een 1000-voudige vermindering van de foutfrequentie wanneer DNA wordt gerepliceerd.
Vragen en antwoorden
V: Wat is DNA-herstel?
A: DNA-herstel is het proces waarbij een cel schade aan zijn DNA-moleculen, veroorzaakt door normale metabolische activiteiten en omgevingsfactoren zoals UV-licht en straling, identificeert en corrigeert.
V: Hoeveel moleculaire beschadigingen kunnen er per cel per dag optreden?
A: Er zijn wel een miljoen moleculaire beschadigingen per cel per dag.
V: Wat kan structurele schade aan de DNA-molecule veroorzaken?
A: Structurele schade aan de DNA-molecule kan het vermogen van de cel om het aangetaste gen te transcriberen veranderen of elimineren.
V: Wat kunnen potentieel schadelijke mutaties door DNA-laesies veroorzaken?
A: Potentieel schadelijke mutaties veroorzaakt door DNA beschadigingen kunnen de overleving van de dochtercellen van de cel na deling beïnvloeden.
V: Waarom moet het DNA-herstelproces voortdurend actief zijn?
A: Het DNA-herstelproces moet voortdurend actief zijn, zodat het snel kan reageren op eventuele schade in de DNA-structuur.
V: Welke factoren kunnen de snelheid van DNA-herstel beïnvloeden?
A: Veel factoren kunnen de snelheid van het DNA-herstel beïnvloeden, waaronder het celtype, de leeftijd van de cel en de extracellulaire omgeving.
V: Wat kan er gebeuren met een cel die veel DNA-schade heeft opgelopen of een cel die niet langer effectief schade herstelt?
A: Een cel die veel DNA-schade heeft opgelopen, of een cel die niet langer effectief schade herstelt, kan in een van drie toestanden terechtkomen.
Zoek in de encyclopedie