Diese Arbeit hatte zum Ziel, die DNA-Schadensantwort in bestrahlten Tumorzellen auf molekularer Ebene zu erforschen. Mithilfe von verschiedenen computergestützten (in silico) Verfahren wurden strukturdynamische und evolutionäre Aspekte von drei strahlenbiologisch relevanten Proteinen bzw. Proteinkomplexen untersucht. Durch Inhibierung des 20S Proteasoms kann erreicht werden, dass Tumorzellen auf strahleninduzierte DNA-Schäden sensitiver reagieren als umliegendes, gesundes Gewebe. Proteasominhibitoren besitzen daher großes Potential als sogenannte radiosensitivierende Substanzen. Mithilfe einer computergestützten Simulation der Inhibition am Enzym (Protein-Ligand-Docking) kann die Konformation eines Liganden in der β5-Bindetasche des Proteasoms untersucht und die Wirkstoffoptimierung unterstützt werden. Eine Herausforderung stellte hier die Modellierung der kovalenten Bindung dar, welche zwischen den von uns betrachteten Inhibitoren und der β5-Bindetasche ausgebildet wird. In Zusammenarbeit mit Medizinalchemikern der Arbeitsgruppe von Prof. Schmidt (GrK 1657 – Projekt 2E) gelang es, ein universelles Verfahren für das Docking von kovalent gebundenen Inhibitoren in der Software MOE zu etablieren. In einer erweiterten Kooperation mit Kristallographen (Prof. Groll, TU München) und Biochemikern (Prof. Kloetzel, Charité Berlin) gelang die Entwicklung von potenten und hochselektiven Proteasominhibitoren aus der Substanzklasse der α-Keto-Phenylamide. Diese zeichnet sich durch eine einzigartige Ausnutzung der sogenannten primed sites des Substratbindekanals aus. Ein weiterführendes Projekt dieser Kooperation hatte die Charakterisierung des natürlichen Proteolyse-Mechanismus in der β5-Bindetasche zum Ziel. Es wurde die Hypothese postuliert, dass die Spaltungsreaktion ausschließlich durch lange, hydrophobe Reste des Substrats über Wechselwirkungen mit der Met45-Seitenkette der β5-Bindetasche ausgelöst wird, vergleichbar mit der Funktionsweise einer Mausefalle. Diese Hypothese wurde jedoch durch weitere experimentelle Ergebnisse, die zeigten, dass auch kurze Reste die Spaltungsreaktion auslösen können, widerlegt. Durch unsere umfangreichen Molekular-Dynamik-Simulationen konnte bestätigt werden, dass die Dynamik der Met45 Seitenkette direkt von der Länge des Substratrests abhängt. Dies zeigt, dass die β5-Bindetasche Reste verschiedener Länge aufnehmen kann, denen sie sich jeweils anpasst. Diese Erkenntnisse ermöglichen ein zukünftiges, genaueres Design von Proteasominhibitoren. Der DNA-abhängige Protein-Kinase-Komplex (DNA-PK), bestehend aus den Proteinen Ku (mit den Untereinheiten Ku70 und Ku80) und dem katalytisch aktiven DNA-PKcs, bildet das strukturelle Grundgerüst für die Reparatur von DNA- Doppelstrangbrüchen in der frühen Phase des Reparaturwegs der nicht-homologen Endverknüpfung (NHEJ). Für die Entwicklung von DNA-PK-Inhibitoren, die der NHEJ-Modulation dienen, ist strukturelles Wissen über den DNA-PK Komplex als solchen unabdingbar. Diese Arbeit beschäftigte sich daher mit der grundlegenden Fragestellung, ob molekulare Koevolution Aufschluss über den noch unbekannten dreidimensionalen Aufbau des DNA-PK-Komplexes geben kann. Molekulare Koevolution bezeichnet die wechselseitige Evolution von interagierenden Aminosäuren an der Oberfläche der am Komplex beteiligten Proteine, um die gegenseitige Erkennung und somit die Stabilität des Komplexes zu gewährleisten. Als ein informationstheoretisches Maß wurde die Mutual Information (MI) verwendet, um in homologen Sequenzdaten solche koevolutionären Signale zu detektieren. Verschiedene Korrekturverfahren der MI wurden bezüglich ihrer Vorhersagekraft von interagierenden Aminosäuren im Ku70/Ku80-Komplex, welcher aus der Kristallstruktur bereits bekannt ist, evaluiert. Es stellte sich heraus, dass die Vorhersage von Interaktionen nur beschränkt möglich ist. Die Ergebnisse zeigen, dass die verwendeten Verfahren weiter dahingehend optimiert werden müssen, die gewünschten Signale der Protein-Protein-Interaktion von dem Hintergrund weiterer Signale zu trennen. Die Modulation des Proteins Rad54 eröffnet die Möglichkeit, in die homologe Rekombination (HR) einzugreifen, da dem Protein in diesem DNA-Reparaturweg eine zentrale Schlüsselrolle zukommt. Dieses Projekt entstand innerhalb des Graduiertenkollegs in Kollaboration mit Strahlenbiologen der Arbeitsgruppe von Prof. Löbrich (GrK 1657 – Projekt 1A), welche zeigen konnten, dass eine bestimmte Phosphorylierungsreaktion notwendig ist, um Rad54 zu aktivieren. Mit einem reduzierten biophysikalischen Netzwerkmodell wurde untersucht, welche strukturellen Änderungen durch die Phoshorylierung induziert werden. Anstelle der erwarteten lokalen Antwort wurde eine intrinsische Dynamik der Proteindomänen beobachtet, die wahrscheinlich eng mit der hauptsächlichen Funktion von Rad54 verwandt ist: der Translokation entlang des DNA-Doppelstrangs. Dieses Resultat führte zu einer intensiveren Auseinandersetzung mit den strukturellen Grundlagen des Translokationszyklusses. Dieser konnte durch die aktuell verfügbaren Kristallstrukturen dargestellt werden. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde ein dreidimensionales Modell der Struktur des Rad54-Proteins aus dem Zebrafisch erstellt, welche nun als Ausgangsstruktur für weitere Studien dient.