Reparatur der DNA

In jeder deiner Zellen wird die DNA täglich vielfach beschädigt – durch Sonnenlicht, durch Nebenprodukte des Stoffwechsels und durch Kopierfehler. Schätzungen gehen von Zehntausenden Schäden pro Zelle und Tag aus. Dass daraus nur selten bleibende Mutationen werden, verdankst du einem ganzen Werkzeugkasten von Reparaturenzymen.

Einfach erklärt

Sonnenlicht, der Stoffwechsel und Kopierfehler beschädigen jeden Tag das Erbgut in deinen Zellen. Fachleute schätzen: Es sind Zehntausende Schäden pro Zelle und Tag. Trotzdem entstehen nur selten bleibende Mutationen. Das sind dauerhafte Veränderungen im Erbgut. Der Grund sind viele Reparaturenzyme. Das sind Eiweiße. Sie beheben Schäden.

Das Erbgut hat zwei Stränge. Sie passen genau zueinander. Ist ein Strang beschädigt? Dann hat der andere Strang die richtige Information. Bei der Exzisionsreparatur schneidet die Zelle den Schaden heraus. Dann füllt sie die Lücke passend zum anderen Strang auf.

Das Wichtigste:

Ein Schaden ist noch keine Mutation. Ohne Reparatur kopiert die Zelle ihn aber bei der nächsten Teilung mit. Dann ist er dauerhaft.
Bei manchen Menschen fällt ein Reparaturweg aus. Sie bekommen leichter Krebs.
Die Genschere schneidet das Erbgut nur durch. Die Reparatur macht die Zelle selbst.

Merke: Reparaturenzyme nutzen den heilen Strang als Vorlage.

Das lernst du hier

Du nennst Ursachen von DNA-Schäden und unterscheidest Schaden und Mutation.
Du beschreibst den Ablauf der Exzisionsreparatur.
Du vergleichst die wichtigsten Reparaturwege, auch die beiden Wege zur Reparatur von Doppelstrangbrüchen.
Du erklärst die Folgen defekter Reparatursysteme am Beispiel Xeroderma pigmentosum und erblicher Krebsrisiken.
Du stellst einen Zusammenhang zwischen DNA-Reparatur und der Genschere CRISPR/Cas9 her.

Übersicht

Woher die Schäden kommen

Ein DNA-Schaden ist eine chemische Veränderung der DNA, etwa eine beschädigte Base oder ein Bruch im Strang. Zur Mutation wird er erst, wenn er nicht repariert wird und die Zelle die veränderte Information bei der nächsten Verdopplung kopiert. Die wichtigsten Ursachen:

UV-Strahlung: UV-B-Licht verknüpft zwei benachbarte Thymin-Basen im selben Strang fest miteinander. Dieses Thymin-Dimer verbiegt die Doppelhelix und blockiert das Ablesen. Mehr dazu: UV-Strahlung und DNA.
Kopierfehler: Bei der Replikation baut die DNA-Polymerase gelegentlich eine falsche Base ein, die nicht zur Vorlage passt.
Spontane Reaktionen: Basen können zerfallen oder sich chemisch umwandeln; so wird aus Cytosin manchmal Uracil. Reaktive Sauerstoffverbindungen aus dem Stoffwechsel verändern vor allem Guanin.
Strahlung und Chemikalien: Röntgen- und radioaktive Strahlung können beide Stränge durchtrennen (Doppelstrangbruch). Stoffe aus Tabakrauch lagern sich an Basen an.

Exzisionsreparatur: ausschneiden und neu einsetzen

Die DNA hat einen eingebauten Vorteil: Sie besteht aus zwei komplementären Strängen. Ist einer beschädigt, enthält der andere die richtige Information. Darauf beruht die Exzisionsreparatur (lateinisch excisio = Ausschneiden). Sperrige Schäden wie Thymin-Dimere entfernt die Nukleotidexzisionsreparatur:

Abb. 1: Nukleotidexzisionsreparatur eines Thymin-Dimers (schematisch). Oben der geschädigte Strang, unten der intakte Gegenstrang, der als Vorlage dient. Beim Menschen wird ein Stück von etwa zwei bis drei Dutzend Nukleotiden ausgeschnitten.

ErkennenProteinkomplexe tasten die DNA ab und bemerken die Verformung der Helix.
EinschneidenEnzyme (Endonukleasen) schneiden den geschädigten Strang links und rechts des Schadens.
AusschneidenDas Stück mit dem Schaden wird entfernt; zurück bleibt eine einzelsträngige Lücke.
Auffüllen und verschließenEine DNA-Polymerase füllt die Lücke nach dem Prinzip der Basenpaarung auf. Die DNA-Ligase verknüpft das neue Stück mit dem alten Strang.

Ähnlich arbeitet die Basenexzisionsreparatur: Ein Enzym erkennt eine einzelne veränderte Base, etwa ein Uracil in der DNA, und entfernt nur sie; danach wird ebenfalls aufgefüllt und verknüpft. Übrigens: Viele Bakterien und Pflanzen können Thymin-Dimere auch direkt mithilfe von Licht spalten (Photoreaktivierung). Menschen fehlt dieses Enzym – sie sind auf die Exzisionsreparatur angewiesen.

Der Werkzeugkasten der Zelle

Reparaturweg	repariert	Prinzip	Defekt beim Menschen (Beispiel)
Korrekturlesen (Proofreading)	falsch eingebaute Basen während der Replikation	Polymerase entfernt die falsche Base sofort wieder	erhöhtes Krebsrisiko bei bestimmten Polymerase-Mutationen
Mismatch-Reparatur	Fehlpaarungen, die dem Korrekturlesen entgangen sind	erkennt den neuen Strang und tauscht dort ein Stück aus	Lynch-Syndrom (erblicher Darmkrebs)
Basenexzisionsreparatur	einzelne chemisch veränderte Basen	Base entfernen, auffüllen, verknüpfen	u. a. erbliche Darmpolypen (MUTYH)
Nukleotidexzisionsreparatur	sperrige Schäden, z. B. Thymin-Dimere	Stück ausschneiden, auffüllen, verknüpfen	Xeroderma pigmentosum
Doppelstrangbruch-Reparatur	Brüche durch beide Stränge	Enden verbinden (NHEJ) oder Vorlage kopieren (HR)	erblicher Brust- und Eierstockkrebs (BRCA1/BRCA2)

Besonders gefährlich sind Doppelstrangbrüche, weil hier keine intakte Vorlage im selben DNA-Molekül übrig ist. Die Zelle hat dafür zwei Strategien:

Abb. 2: Reparatur von Doppelstrangbrüchen. Links die nicht-homologe Endverknüpfung (NHEJ), rechts die homologe Rekombination (HR). Türkis: neu synthetisierte DNA; rot markiert: mögliche Fehlerstelle.

Merke

Reparatursysteme nutzen meist den intakten Gegenstrang als Vorlage: Der Schaden wird erkannt, ausgeschnitten, die Lücke von einer DNA-Polymerase aufgefüllt und von der Ligase verschlossen. Doppelstrangbrüche werden entweder schnell, aber fehleranfällig verbunden (NHEJ) oder genau nach einer Vorlage repariert (HR).

Wenn die Reparatur ausfällt

Wie wichtig die Reparatur ist, zeigen Menschen, bei denen ein Reparaturweg nicht funktioniert. Bei Xeroderma pigmentosum (XP) ist die Nukleotidexzisionsreparatur gestört; mindestens neun verschiedene Gene können betroffen sein. Die Erkrankung wird autosomal-rezessiv vererbt und ist sehr selten, in den USA und Europa etwa 1 von einer Million Menschen. UV-Schäden in der Haut bleiben weitgehend unrepariert. Betroffene haben ein etwa 10.000-fach erhöhtes Risiko für hellen Hautkrebs; der erste Hautkrebs tritt oft schon vor dem zehnten Lebensjahr auf. Strenger Schutz vor UV-Licht ist deshalb zentral – betroffene Kinder werden manchmal „Mondscheinkinder“ genannt. Bei etwa 30 Prozent kommen fortschreitende neurologische Beschwerden hinzu. Ursachen, Vererbung und den Alltag mit der Erkrankung beschreibt die Seite Xeroderma pigmentosum.

Häufiger sind Anlagen, die das Krebsrisiko erhöhen: Beim Lynch-Syndrom ist ein Gen der Mismatch-Reparatur verändert, bei Veränderungen in BRCA1 oder BRCA2 die homologe Rekombination. Krebs entsteht, wenn sich in einer Körperzelle Mutationen in Genen anhäufen, die Wachstum und Teilung steuern. Fällt ein Reparatursystem aus, geht das schneller. Auch deshalb prüfen Zellen vor jeder Mitose an Kontrollpunkten, ob ihre DNA intakt ist.

Von der Reparatur zur Genschere

Die Genschere CRISPR/Cas9 repariert selbst nichts – sie schneidet die DNA an einer gewünschten Stelle durch, erzeugt also gezielt einen Doppelstrangbruch. Was danach passiert, erledigen die Reparatursysteme der Zelle:

Repariert die Zelle mit NHEJ, entstehen an der Schnittstelle oft kleine Insertionen oder Deletionen. Liegen sie in einem Exon, verschiebt sich meist das Leseraster – das Gen wird ausgeschaltet.
Bietet man der Zelle eine passende DNA-Vorlage an, kann sie den Bruch per HR nach diesem Muster reparieren. So lässt sich eine Sequenz gezielt verändern, allerdings mit geringerer Erfolgsrate.

Neuere Varianten wie das Base-Editing verändern einzelne Basen sogar ganz ohne Doppelstrangbruch. Ausprobieren kannst du das Prinzip in der Gen-Schere.

Wusstest du?

Für die Aufklärung der DNA-Reparatur gab es 2015 den Nobelpreis für Chemie: Tomas Lindahl erforschte die Basenexzisionsreparatur, Aziz Sancar die Nukleotidexzisionsreparatur und Paul Modrich die Mismatch-Reparatur.

Typische Fehler

„Jeder DNA-Schaden ist eine Mutation.“ Falsch. Erst wenn ein Schaden nicht repariert und bei der Replikation kopiert wird, entsteht eine bleibende Mutation.
„Menschen spalten Thymin-Dimere mit Licht.“ Falsch. Das Enzym dafür (Photolyase) fehlt dem Menschen.
„Die Genschere baut das neue Gen selbst ein.“ Falsch. Cas9 schneidet nur; die Reparatur der Zelle bestimmt das Ergebnis.

Wie genau ist die Replikation – und woher weiß die Mismatch-Reparatur, welcher Strang falsch ist?

Die Genauigkeit der Replikation entsteht in drei Stufen. Lehrbücher nennen folgende Größenordnungen: Die DNA-Polymerase selbst baut etwa eine falsche Base pro 10⁴ bis 10⁵ Basen ein. Durch ihr Korrekturlesen – sie kann mit einer 3′→5′-Exonuklease-Aktivität die zuletzt eingebaute, falsch gepaarte Base wieder entfernen – sinkt die Fehlerrate auf etwa 1 zu 10⁷. Die Mismatch-Reparatur senkt sie weiter auf etwa 1 zu 10⁹ bis 10¹⁰. Bei rund sechs Milliarden Basenpaaren in einer menschlichen Zelle bleiben so im Mittel nur etwa ein bis wenige Fehler pro Zellteilung.

Eine Fehlpaarung wie G–T sagt allerdings nicht, welche der beiden Basen falsch ist. Die Mismatch-Reparatur muss deshalb den neu synthetisierten Strang erkennen, denn nur dort kann der Fehler liegen. Beim Bakterium E. coli geschieht das über Methylgruppen: Die Sequenz GATC wird nach der Replikation erst mit Verzögerung methyliert, sodass der neue Strang kurzzeitig unmethyliert und damit erkennbar ist. Beim Menschen dienen vermutlich vor allem Unterbrechungen im neuen Strang als Signal, wie sie zwischen den Okazaki-Fragmenten vorliegen.

Fällt die Mismatch-Reparatur aus, häufen sich Fehler besonders in kurzen Wiederholungsfolgen der DNA, sogenannten Mikrosatelliten. Diese Mikrosatelliten-Instabilität wird in Tumorgewebe gemessen, um ein Lynch-Syndrom zu erkennen – und sie beeinflusst auch, welche Krebsbehandlungen wirksam sein können.

Vertiefen: zwei Kapitel zur DNA-Reparatur

UV-Strahlung und DNAWie Thymin-Dimere entstehen und warum Sonnenschutz zählt. Xeroderma pigmentosumWas geschieht, wenn die Reparatur von UV-Schäden fehlt.

Fachbegriffe

DNA-Schaden: Chemische Veränderung der DNA, die noch repariert werden kann.
Thymin-Dimer: Durch UV-Licht verknüpfte benachbarte Thymin-Basen in einem Strang.
Exzisionsreparatur: Reparatur durch Ausschneiden des Schadens und Auffüllen nach dem Gegenstrang.
Mismatch-Reparatur: Korrektur falsch gepaarter Basen im neu synthetisierten Strang.
DNA-Ligase: Enzym, das DNA-Stücke durch Bindungen im Zucker-Phosphat-Rückgrat verknüpft.
NHEJ: Nicht-homologe Endverknüpfung: direktes Verbinden der Enden eines Doppelstrangbruchs.
Homologe Rekombination: Reparatur eines Doppelstrangbruchs nach Vorlage einer gleichen DNA-Sequenz.
Xeroderma pigmentosum: Seltene Erbkrankheit mit gestörter Nukleotidexzisionsreparatur und hoher UV-Empfindlichkeit.

Aufgaben

AFB I: wiedergebenAFB II: anwendenAFB III: beurteilen

AFB INenne vier Ursachen für DNA-Schäden und erkläre den Unterschied zwischen Schaden und Mutation.
Lösung anzeigen
UV-Strahlung (Thymin-Dimere), Kopierfehler bei der Replikation, spontane chemische Veränderungen (z. B. Cytosin → Uracil, Sauerstoffradikale), ionisierende Strahlung (Doppelstrangbrüche), Chemikalien (z. B. aus Tabakrauch). Ein Schaden ist eine chemische Veränderung, die repariert werden kann; eine Mutation ist eine bleibende Veränderung der Basenfolge, die bei der Replikation weitergegeben wird.
AFB IBeschreibe anhand von Abb. 1 die Nukleotidexzisionsreparatur und nenne die beteiligten Enzymtypen.
Lösung anzeigen
Erkennen der Helixverformung durch Proteinkomplexe; Einschneiden des geschädigten Strangs beiderseits durch Endonukleasen; Entfernen des Stücks; Auffüllen der Lücke durch DNA-Polymerase nach dem komplementären Gegenstrang; Verknüpfen durch DNA-Ligase.
AFB IIErkläre, warum Menschen mit Xeroderma pigmentosum vor allem an Gesicht und Händen Hautkrebs entwickeln und warum die Eltern Betroffener meist gesund sind.
Lösung anzeigen
Gesicht und Hände sind am stärksten UV-Licht ausgesetzt; dort entstehen die meisten Thymin-Dimere, die ohne Nukleotidexzisionsreparatur bestehen bleiben und bei Zellteilungen zu Mutationen führen. Der Erbgang ist autosomal-rezessiv: Die Eltern tragen je ein verändertes und ein intaktes Allel. Ein intaktes Allel liefert genug funktionierendes Reparaturprotein.
AFB IIVergleiche NHEJ und homologe Rekombination hinsichtlich Vorlage, Genauigkeit und Zeitpunkt im Zellzyklus. Leite ab, welcher Weg beim Ausschalten eines Gens mit CRISPR/Cas9 genutzt wird.
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NHEJ: keine Vorlage, Enden werden direkt verbunden; schnell, aber fehleranfällig (kleine Insertionen/Deletionen); in allen Phasen möglich. HR: intaktes Schwesterchromatid als Vorlage; genau; nur nach der Replikation (S- und G2-Phase). Zum Ausschalten eines Gens nutzt man NHEJ: Die kleinen Fehler verschieben meist das Leseraster, das Protein wird funktionslos.
AFB IIIBeim Lynch-Syndrom und bei BRCA-Mutationen wird ein erhöhtes Krebsrisiko autosomal-dominant vererbt, obwohl in jeder Körperzelle noch ein intaktes Allel des Reparaturgens vorhanden ist. Entwickle eine Hypothese, die diesen scheinbaren Widerspruch auflöst.
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Mögliche Hypothese („Zwei-Treffer-Modell“): Vererbt wird nur die Anlage, in allen Zellen ist bereits ein Allel defekt. Erst wenn in einer einzelnen Körperzelle durch eine zusätzliche somatische Mutation auch das zweite Allel ausfällt, versagt dort die Reparatur. Diese Zelle sammelt rasch weitere Mutationen und kann zur Krebszelle werden. Weil bei Millionen Zellen ein solcher „zweiter Treffer“ sehr wahrscheinlich irgendwann eintritt, erscheint die Veranlagung in Familien dominant, obwohl die Zelle selbst erst bei Verlust beider Allele betroffen ist.

Weiterlernen

CRISPR/Cas9Wie die Genschere funktioniert und was sie verändert. Humangenetik und KrankheitenMutationstypen und ihre Folgen. MitoseZellteilung und die Kontrollpunkte im Zellzyklus.

Quellen & Stand

MedlinePlus Genetics: Xeroderma pigmentosum und Lynch syndrome.
Nobelprize.org: The Nobel Prize in Chemistry 2015 (Mechanistic studies of DNA repair).
Alberts, B. u. a.: Molecular Biology of the Cell, 7. Auflage, W. W. Norton 2022, Kapitel 5 (DNA-Replikation, -Reparatur und -Rekombination).
Campbell Biologie, 11. Auflage, Pearson 2019, Kapitel 16.

Stand: Oktober 2026. Fachlich überarbeitet für Klasse 9–13.