Replikation

Vervielfältigung des Erbinformationsträgers DNA in einer Zelle nach einem semikonservativen Prinzip

Die Replikation oder Reduplikation bezeichnet die Vervielfältigung der DNA oder RNA als Erbinformationsträger eines Chromosoms beziehungsweise des Genoms einer Zelle. Im mitotischen Zellzyklus erfolgt die DNA-Synthese als identische Verdoppelung (Reduplikation). Zellzyklen mancher (spezialisierter) somatischer Zellen bei Eukaryoten behandeln jedoch Teile ihres Genoms unterschiedlich: Bestimmte DNA-Sequenzen werden amplifiziert; andere DNAs werden nicht multipliziert und bleiben (in nachfolgenden Zyklen) unterrepliziert. In solchen Fällen der Differenzierung auf DNA-Ebene ist der Ausdruck Replikation für die zelluläre DNA-Synthese besonders angebracht.

Der molekulare Mechanismus der Re(du)plikation ist stets semikonservativ (von lateinisch semi ‚halb‘ und conservare ‚erhalten‘).[1] Die DNA-Doppelhelix wird enzymatisch in ihre beiden Stränge aufgetrennt; dann katalysieren DNA-Polymerasen an jedem Einzelstrang die komplementäre Ergänzung zu einer halbkonservativen (= halbneuen) DNA-Doppelhelix. „Komplementär“ bedeutet, dass der vereinzelte, konservative DNA-Strang die Basen-Abfolge (Sequenz) seines künftig gegenüberliegenden Stranges eindeutig bestimmt. Jede Base eines DNA-Nukleotids kann nach den Regeln der Basenpaarung nur mit einem festgelegten Partner über Wasserstoffbrückenbindungen eine stabile Beziehung eingehen (Adenin ↔ Thymin; Guanin ↔ Cytosin).

Bei RNA-Viren[2] und Retroviren ist deren RNA in die Definition ihrer Replikation eingeschlossen. Alle Viren verwenden zum Replizieren, da sie keinen eigenen Stoffwechsel haben, die notwendigen Ausgangsstoffe der Wirtszelle, teilweise auch deren Enzyme.[3]

EigenschaftenBearbeiten

Die Replikation wird in einem Abschnitt des Zellzyklus angestoßen: bei den Eukaryoten in der S-Phase (DNA-Synthesephase), die selbst zur Interphase gehört.

Reduplikation in Keimbahn und StammzellenBearbeiten

Damit der genetische Bauplan einer biologischen Art und das Programm für seine zeitgerechte Verwirklichung erhalten bleibt, erfüllen die Zellen der Keimbahn eine Notwendigkeit: Sie müssen ihre Erbinformation vor jeder Kern- und Zell-Teilung exakt verdoppeln.[4] Dieser strengen Regel für den mitotischen Zellzyklus gehorchen auch (pluripotente) Stammzellen. An diese identische, vollständige, semikonservative Replikation ist die Zellteilung stark gekoppelt.

Replikation in somatischen ZellkernenBearbeiten

  • Endoreplikation: Im Soma vieler Organismen kommt es zu mehreren abfolgenden Zellzyklen mit genetischer Multiplikation, nach denen sich die vergrößerten Zellkerne, folglich auch die betreffenden Zellen, nicht teilen. Diese Art wiederholter DNA-Synthesen heißt Endoreplikation. Dabei mag es sich oft um vollständige Reduplikation[5] handeln; doch nicht selten ist die Endoreplikation ein selektiver Prozess, und zwar:
  • Bei der Amplifikation werden bestimmte DNA-Sequenzen gegenüber dem restlichen Genom übermäßig repliziert.[6][7]
  • Bei der Unterreplikation dagegen werden bestimmte Sequenzen von den Verdoppelungsrunden ausgeschlossen. Das genetische Ergebnis ist durchaus mit dem der Elimination zu vergleichen.[8][9][10]
  • Diminution, Elimination: Verschiedene Eukaryoten verzichten ab einem gewissen embryonalen Entwicklungspunkt reguliert auf einen beträchtlichen Teil ihrer DNA. Besonders dramatisch sehen unter dem Lichtmikroskop jene Fälle aus, die Chromosomen ganz oder teilweise aus somatischen Zellkernen entfernen.[11][12] Die Fachbezeichnungen dafür sind Chromatin-Diminution oder Chromosomen-Elimination.[13][14][15][16][17]

Strukturelle MechanismenBearbeiten

Die Replikation kann mit verschiedenen molekularen Mechanismen ablaufen, die von der Primärstruktur der Nukleinsäure abhängen. Neben dem symmetrischen Prozess der bidirektionalen Replikation gibt es asymmetrische Prozesse, nämlich: Telomer-Reproduktion, D-Loop-Prozess und Rolling-Circle-Prinzip.

Bidirektionale ReplikationBearbeiten

Die Vervielfältigung der DNA in linearen Chromosomen des Kerngenoms einer eukaryoten Zelle sowie des Bakteriengenoms erfolgt zweiseitig symmetrisch. Die Replikation geht von vielen Startsequenzen („Origins“) aus, die über die DNA-Doppelhelix (eines Chromosoms) verteilt sind. Die Zahl der Origins entspricht der (möglichen) Anzahl der Replikationseinheiten („Replikons“). Die bidirektionale Replikation läuft von jedem Origin entgegengesetzt, in beide Richtungen, und zwar gleichzeitig an beiden Einzelsträngen der DNA-Doppelhelix. Das bidirektionale Prinzip kommt in der Natur am häufigsten vor.

Telomer-ReproduktionBearbeiten

Die identische Vervielfältigung der Telomere ist ein Problem linearer DNA-Moleküle bzw. ihrer Chromosomen. Die beiden Enden einer Doppelhelix erlauben keine bidirektionale Replikation, weil es keine Ansatzsequenz für einen RNA-Primer gibt.[18]

D-Loop-ProzessBearbeiten

Manche Chloroplasten und Mitochondrien besitzen ringförmige DNA. Die Replikation beginnt an einem Strang in der großen, nicht-codierenden Region. Der Polymerasekomplex läuft nur in eine Richtung und produziert einen kurzen, dritten Strang, bekannt als 7S-DNA. Diese dreisträngige Struktur ist im Elektronenmikroskop als D-Loop zu erkennen. (D-Loop von engl. displacement loop: Ablöse- oder Verdrängungsschlaufe.)[19] Wenn der schon replizierte Strang mehr als zwei Drittel der ursprünglichen DNA verdrängt hat, löst er sich (von der Matrize). Der gelöste Strang wird unabhängig (zur dsDNA) repliziert.

Rolling-Circle-ReplikationBearbeiten

 
Schema der Rolling-circle-Replikation. Als Startmaterial ist eine doppelsträngige oder eine einzelsträngige Nukleinsäure (DNA oder RNA) vorgegeben

Viren und Plasmide zeigen ein besonderes Replikationsprinzip.[20][21][22] Liegt deren Nukleinsäure als Einzelstrang vor, wird sie komplementär zu einem Doppelstrang ergänzt. Ist das Erbmaterial (bereits) eine doppelsträngige Nukleinsäure, bricht eine Endonuklease einen Strang auf, indem die Verbindung zwischen zwei benachbarten Basen getrennt wird. An dieser geöffneten Stelle setzt ein Polymerasekomplex an, der nur in eine Richtung arbeitet. Das 3′-OH-Ende des geschnittenen Stranges dient dabei als Ansatzpunkt für einen sogenannten Primer, von dem aus der offene Strang verlängert wird. Für die einseitige Polymerisation dient der nicht aufgebrochene Ring als komplementäre Matrize. Die Replikationseinheit wandert um den inneren Strang herum wie um einen rollenden Kreis (Rolling circle).

Der innere Strang kann wiederholt als Matrize dienen, sodass mehrere Duplikate hintereinander entstehen, teilweise als Concatamere. Diese werden nach dem ersten Replikationsschritt zerlegt. Entweder bleiben die neuen Produkte einzelsträngig oder dienen als Matrize für einen zweiten Schritt, aus dem die replizierten doppelsträngigen Nukleinsäuren hervorgehen.

Das Rolling-circle-Prinzip scheint in der Natur in verschiedenen Formen zu existieren. Der beschriebene Ablauf stellt die verbreitetste Hypothese dar. – Erläuterung zu Viren: Diese lassen sich nach Art ihrer Nukleinsäuren in sechs Klassen einteilen. 1. Viren mit Doppelstrang-DNA; 2. mit Einzelstrang-DNA; 3. mit Doppelstrang-RNA; 4. mit positivem RNA-Einzelstrang; 5. mit negativem RNA-Einzelstrang; 6. Retroviren replizieren ihre RNA zu DNA, von der schließlich neue Virion-RNA multipliziert wird.[23]

Das Modell des rollenden Kreises kommt zum Beispiel bei der Konjugation zweier Bakterien vor. Dabei gibt ein Bakterium den Einzelstrang eines Plasmids an ein anderes Bakterium weiter, während es die eigene, ringförmige DNA des Plasmids behält. Bisher wenig erforschte ringförmige DNAs wurden extrachromosomal in menschlichen Krebszellen beobachtet.[24]

Das ReplikonBearbeiten

Das Replikon ist die elementare Einheit der Replikation.[25] Prokaryoten und Plasmide haben meist nur ein Replikon; dieses reicht aus, um die kleinen Genome in kurzer Zeit zu multiplizieren. Ausnahmen sind einige Bakterien und Archaeen.

Die großen Genome der Eukaryoten sind in mehrere beziehungsweise viele Replikationsabschnitte gegliedert. Ein Replikon wird in der Regel symmetrisch aktiv, und zwar in der S-Phase, einem Zeitfenster des Zellzyklus für die DNA-Synthese. Mitten im Replikon sitzt der Origin, der Ursprung der Replikation. Sobald der Origin aktiviert ist, wandert je eine Replikationsgabel (Wachstumsgabel) in die eine, die andere Gabel in die entgegengesetzte Richtung. Das Replikon ist in beiden Richtungen vollständig repliziert, sobald jede der beiden Gabeln auf die Replikationsgabel ihres benachbarten Replikons trifft. Ein Replikon-Ende oder Terminus besitzt keine definierte Sequenz, stellt lediglich eine molekulare morphologische Beschreibung dar.

OriginBearbeiten

Zahl der Replikations-Startpunkte: Darmbakterium Escherichia coli: 1 Origin. Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae: ~350 Origins. Mensch Homo sapiens: 40000 bis 80000 Origins.[26]

ReplikationsgabelBearbeiten

Okazaki-FragmentDNA-PolymeraseDNA-PolymeraseHelikaseDNA-LigaseRNA-PrimerPrimaseTopoisomeraseEinzelstrang-bindendes Protein 

TerminusBearbeiten

Ablauf der ReplikationBearbeiten

  • Initiation stößt die Replikation an. Hier wird die DNA-Doppelhelix an einer bestimmten Stelle mit Hilfe der Helikase aufgebrochen und eine Polymerase lagert sich nach der Markierung durch eine Primase an die aufgebrochene DNA.[1]
  • Elongation, in der die eigentliche Vervielfältigung vonstatten geht. Die beiden Stränge werden zeitgleich komplementär synthetisiert.
  • Terminationsphase schließt die Synthese ab.
  • DNA-Reparatur zur Korrektur eventuell entstandener Kopierfehler.[27]

Semikonservatives PrinzipBearbeiten

Die Replikation nach dem semikonservativen Prinzip wurde schon von Watson und Crick postuliert, da sie aus der DNA-Doppelstrang-Konstruktion der Erbinformation ableitbar ist. Im Gegensatz zu zwei anderen vorgeschlagenen Prinzipien (konservatives und dispersives Prinzip) wurde das semikonservative durch den Meselson-Stahl-Versuch belegt. Das Grundprinzip sagt aus, dass der Original-Doppelstrang geöffnet wird und beide Teilstränge als Vorlage für die Replikation dienen. Dabei wird der replizierte Strang wieder entsprechend der Watson-Crick-Basenpaarung gebildet. Die Replikation nach dem semikonservativen Prinzip stellt den allgemein gelehrten Replikationsmechanismus dar. Alle anderen Prinzipien sind Sonderfälle, die jeweils nur zum Teil bewiesen sind.

Da alle Bakterien sowie der Zellkern aller Eukaryoten doppelsträngige DNA (dsDNA) enthalten, kommt dieser Replikationsmechanismus in der Natur auch am häufigsten vor. Ausnahmen bilden hier einige Mitochondrien, bei denen ein anderer Mechanismus abläuft, sowie Plasmid- und Virengenome, bei denen die Erbinformation auch als DNA-Einzelstrang (ssDNA) vorliegen kann. Hier muss ein gänzlich anderer Mechanismus gefunden werden. Bei Retroviren, deren Erbinformation stets in Form eines RNA-Doppel- oder -Einzelstrangs vorliegt, wird die Replikation von der Wirtszelle übernommen, indem die RNA durch eine Reverse Transkriptase in DNA umgeschrieben und in das Wirtsgenom eingebaut wird.

Prokaryotische ReplikationBearbeiten

InitiationBearbeiten

In der Zelle liegt die helikale DNA nicht geordnet ringförmig oder linear vor, sondern ist zusätzlich in sich verdrillt zu so genannten ‚supercoils‘: Während sich die DNA-Doppelhelix bei Eukaryoten um basische DNA-Strukturproteine wie Histone wickelt und der gesamte Komplex aus DNA-Molekül und zugehörigen Strukturproteinen zusätzlich durch Faltungen und Verdrehungen komprimiert und dadurch auch stabilisiert wird, ist das bei Prokaryoten (sowie Organellen mit eigener DNA wie z. B. Mitochondrien und Chloroplasten) nicht in gleicher Weise der Fall, da sie keine Histone besitzen. Man hat aber ‚histonähnliche Proteine‘ (englisch histone-like protein, HLP) gefunden, die für einen ähnlichen Effekt sorgen.[28][29][30] Um repliziert werden zu können, muss die DNA entwunden werden. Die Folge der Entwindung der DNA an einer Stelle ist die zunehmende Verdrillung des gesamten DNA-Doppelstranges. Um Torsionsspannungen bei der Entwindung entgegenzuwirken, läuft vor jeder Replikationsgabel eine Topoisomerase, die die Verdrillung vermindern kann (Entspannungsreaktion). Dazu ist die Spaltung der DNA-Stränge notwendig. Je nach Enzymtyp werden kontrolliert Einzel- oder Doppelstrangbrüche durchgeführt. Nach der Entwindung werden die zuvor gespaltenen Phosphorsäureesterbindungen des Zucker-Phosphat-Gerüsts der DNA durch das Enzym wieder geknüpft.

Für die Initiation der Replikation ist ein spezieller Ort, der Replikationsursprung (englisch Origin) auf der meist ringförmigen DNA notwendig, der den Startpunkt bestimmt. An dieser Stelle werden die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen der beiden Einzelstränge aufgetrennt.

Der sogenannte oriC umfasst 245 Basenpaare (bp) und enthält eine Tandemanordnung mit AT-reichen Sequenzen, die folgende Consensus-Sequenz aufweisen:

5′-GATCTNTTNTTTT-3′
3′-CTAGANAANAAAA-5′

und 5 Bindungsstellen für das DnaA-Protein. Zunächst wird das Initiatorprotein DnaA durch Adenosintriphosphat (ATP) aktiviert und an fünf jeweils 9 bp lange DnaA-Boxen gebunden. Insgesamt lagern sich etwa 20 DnaA-Proteine als Schleife um die DNA zusammen. Die Proteine IHF und FIS binden an spezifische Abschnitte des oriC und lösen die Beugung der DNA zu einer haarnadelähnlichen Struktur aus, welche auch die Bindung von DnaA unterstützt. Schließlich kann die Entwindung der Doppelhelix an drei aufeinanderfolgenden, 13 bp langen Adenin- und Thymin-reichen Sequenzen (auch ‚13-mer-Sequenzen‘ genannt) starten.

Dieser Vorgang wird von einer Helikase unter ATP-Verbrauch katalysiert. Bei E. coli heißt diese DnaB und wird durch das Protein DnaC zum Origin geleitet. Durch die Auftrennung des Doppelstranges entstehen so am Origin zwei Replikationsgabeln, die während der Replikation bidirektional auseinanderlaufen. Damit sich die Basen nicht wieder über Wasserstoffbrückenbindungen paaren, halten sogenannte Einzelstrang-bindende Proteine (bei den Prokaryoten heißt dies „SSB-Protein“ für englisch single-strand-binding-protein) die einzelnen Stränge auseinander.

Im Anschluss der Öffnung folgt das Priming: An den nun freien Einzelsträngen wird durch eine RNA-Polymerase, die Primase, ein kurzes RNA-Stück, der Primer (unter zellulären Bedingungen etwa 10 Nukleotide), gesetzt. Dieser Komplex wird als ‚Primosom‘ bezeichnet und ist notwendig, da der Hauptproteinkomplex der Replikation, die DNA-Polymerase, mit der Synthese des jeweils zweiten Stranges DNA nur an einer freien 3′-OH-Gruppe beginnen kann. Das heißt: Die DNA-Polymerase benötigt den Primer als ‚Starthilfe‘ für die Replikation, auch wenn es sich dabei um RNA handelt. Die für den Primer eingesetzte RNA-Polymerase benötigt nur den Einzelstrang als Matrize. Hat die DNA-Polymerase dann aber erst mit der Synthese des zweiten Stranges (von 5′ nach 3′) begonnen, kann sie kaum unterbrochen werden und arbeitet bis zur Termination fort. Somit muss die Regulation der Replikation in der Initiationsphase geschehen.

ElongationBearbeiten

Nach der Initiation und der nun beginnenden Polymerisierung wird die Elongationsphase durchlaufen. Hier synthetisiert die DNA-Polymerase (genau: Die DNA-Polymerase 3) die komplementären Stränge zu den Einzelsträngen: Die Basen der Einzelstränge werden nacheinander abgelesen und, nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung, im synthetisierten Strang entsprechend nacheinander eingebaut. Für die DNA-Synthese notwendige Bausteine liegen in Form der freien Nukleotide in der Zelle vor.

Dabei ergibt sich jedoch ein Problem: Die DNA-Polymerase kann nur in 5′→3′-Richtung synthetisieren. Da nun aber der DNA-Polymerasekomplex an beiden Strängen gleichzeitig synthetisiert, beide Stränge aber gemäß der doppelhelikalen Struktur entgegengesetzt orientiert sind, ergeben sich zwei gegenläufige (auch antiparallele) Stränge an der Replikationsgabel. Man unterscheidet hierbei zwischen dem Leitstrang (auch Vorwärts-Strang oder kontinuierlicher Strang, engl. „leading strand“), der von der Replikationsgabel aus gesehen in 5′→3′-Richtung orientiert ist, und dem Folgestrang (auch Rückwärtsstrang oder diskontinuierlicher Strang, engl. „lagging strand“) (ebenfalls 5′→3′-Richtung, allerdings auf dem anderen Strang!). Es ist zu beachten, dass die neu synthetisierten DNA-Stränge, in jeweilig entgegengesetzter Orientierung wie ihre Matrizenstränge vorliegen.

Am Leitstrang kann nach einmaligem Priming bis zur Symmetrieachse der Replikationsgabel durchgehend repliziert werden, da dieser genau mit der Leserichtung des Polymerasekomplexes und in Laufrichtung der Replikationsgabel orientiert ist. Am Folgestrang ist eine kontinuierliche Replikation hingegen nicht möglich, da er in die „falsche Richtung“ verläuft. Dabei läuft die Polymerase bei dem ersten Lauf gegen den Primer des Leitstranges der zweiten Replikationsgabel, die in die andere Richtung verläuft. Nach der Unterbrechung muss ein erneutes Priming auf dem Folgestrang erfolgen, damit die Polymerase wieder erneut ansetzen kann. Dieses Priming erfolgt immer direkt der Helikase folgend. In den folgenden unregelmäßigen Polymerasezyklen am Folgestrang beendet die Polymerase die Synthetisierung immer am letzten RNA-Primer, also am 5′-Ende des vorhergehenden Fragments. Die so entstehenden DNA-Einzelfragmente werden auch als Okazaki-Fragmente bezeichnet.

Da der Polymerasekomplex nur in eine Richtung, nämlich hinter der Helikase her, verläuft, muss der Folgestrang entsprechend ausgerichtet werden. Es gibt einige gut belegte Hinweise darauf, dass der Bereich zwischen Primase und dem letzten Okazaki-Fragment als eine Schleife verdreht wird, so dass die Polymerase beide Stränge mit gleicher Laufrichtung bearbeiten kann. Ist die Synthese der Schleife beendet, wird diese wieder aufgelöst und eine neue Schleife gebildet. Hier scheint wieder eine Topoisomerase mitzuwirken.

Da die Verdoppelung an einem Strang kontinuierlich, am anderen mit Unterbrechungen verläuft, spricht man auch von einer semidiskontinuierlichen Verdoppelung.

Damit nun ein kontinuierlicher Strang entsteht, der keine RNA-Stücke enthält, tritt noch während der Replikation ein weiterer Mechanismus in Aktion: Eine RNase H entfernt die RNA-Primer und eine weitere DNA-Polymerase (bei Prokaryoten und Eukaryoten ist dies die DNA-Polymerase I) füllt die entstandene Lücke mit der jeweils komplementären DNA.

Die DNA-Ligase schließt dann die Bindung vom 3′-Ende des neuen zum 5′-Ende des alten DNA-Stückes, stellt also zwischen den neu synthetisierten DNA-Strängen die Phosphodiesterbindungen her.

TerminationBearbeiten

Bei den Prokaryoten mit einer ringförmig aufgebauten DNA sind gegenüber dem Origin gelegene Terminationssequenzen gefunden worden. Dabei handelt es sich genauer um zwei Sequenzen, jeweils eine für eine Replikationsgabel. Normalerweise muss die Termination nicht besonders ausgelöst werden, da, wenn zwei Replikationsgabeln aufeinanderlaufen bzw. die DNA, wie bei einer linearen Form, endet, die Replikation damit automatisch beendet wird. Es handelt sich hierbei um ein Kontrollelement, damit die Replikation bei verschiedenen Replikationsgeschwindigkeiten beider Replikationsgabeln kontrolliert an einem bestimmten Punkt endet. Die Terminationsstellen sind Bindeorte für das Protein Tus (englisch terminus utilizing substance). Dieses blockiert die replikative Helikase (DnaB) und bringt damit die Replikation zum Stillstand. Die replizierten ringförmigen Stränge bleiben bei Prokaryoten nach der Replikation noch für eine Weile miteinander verbunden, genau an dieser terminalen Stelle, damit sie nach der Zellteilung von weiteren Prozessen abschließend getrennt und aufgeteilt werden können. Ohne diese Verbindung scheint eine Kontrolle bei der Verteilung nicht vorhanden zu sein. Die Trennung der DNA-Ringe kann über zwei Mechanismen erfolgen, wobei entweder eine TypI- oder eine TypII-Topoisomerase beteiligt ist. Die Termination der DNA-Replikation darf nicht mit der Replikation der RNA verwechselt werden.

Eukaryotische ReplikationBearbeiten

Die Replikation läuft bei Eukaryoten im Wesentlichen identisch ab. Allerdings gibt es einige Ausnahmen und Sonderfälle. So muss berücksichtigt werden, dass die DNA stärker „verpackt“ ist (z. B. beim Heterochromatin), die DNA-bindenden Proteine (die Histon- und Nicht-Histon-Proteine) stärkeren Einfluss haben und die DNA in linearer Form vorliegt. Zudem handelt es sich bei den beteiligten Proteinen in der Regel um solche mit gleicher Funktionalität, aber unterschiedlichem Aufbau.

Einer der wesentlichen Unterschiede liegt in der Initiation: Bei den Eukaryoten gibt es mehrere Origins. Der Vorteil dessen ist leicht ersichtlich, da zum einen die Replikation durch die mehr vorhandenen DNA-bindenden Proteine langsamer verläuft, zum anderen die eukaryotische Polymerase (verschiedene Polymerasen, welche mit griechischen Buchstaben bezeichnet werden und sich bei der Synthese von Leit- und Folgestrang – Polα respektive Polδ – unterscheiden), die einen komplexeren Reparaturmechanismus als bei Prokaryoten besitzt (englisch proofreading), langsamer fortschreitet. Die Polymerase schafft bei Eukaryoten ca. 50 bis 100 Nukleotide pro Sekunde, während bei Prokaryoten mehr als 1000 Nukleotide pro Sekunde ergänzt werden können. Des Weiteren ist die eukaryotische DNA in der Regel wesentlich größer als die der Prokaryoten (einigen Millionen Basenpaaren bei Prokaryoten gegenüber wenigen Milliarden bei Eukaryoten). Mehrere Origins und damit mehrere Replikationseinheiten verkürzen die Zeit, die benötigt wird, das gesamte Genom zu replizieren, auch wenn die Geschwindigkeit von Prokaryoten nicht erreicht wird (Die Replikationszeit der Prokaryoten liegt im Bereich von einigen Minuten, bei Eukaryoten beträgt sie mehrere Stunden).

Die Origins der Eukaryoten haben keine spezielle Sequenz, vielmehr handelt es sich wohl dabei um eine sogenannte Consensus-Sequenz, also eine Ähnlichkeitssequenz. Diese werden auch ARS-Elemente genannt. Andere Befunde gehen davon aus, dass große Bereiche der DNA, sogenannte Replikationszentren, als mögliche Startpunkte für die Replikation dienen können. Die, wie auch immer, als Origin erkannten Stellen werden durch einen Origin-Erkennungskomplex (englisch origin recognition complex, ORC), einen Cdc6-Protein und sogenannte MCM-Proteine (englisch minichromosome maintenance protein), welche als Helikasen dienen, markiert. Diese später wieder entfernten Proteine bilden quasi die Vorhut zur Replikation. Der ORC bindet an den Origin, weiterhin rekrutiert ORC andere Faktoren (Cdc6, Cdt1 und ‚Helicase Loading Proteins‘), daraufhin binden MCM-Helikasen, welche die DNA aufschmelzen. Nur einmal während der S-Phase wird die Replikation initiiert (trotz der 10.000 Origins auf dem eukaryotischen Genom).

Der weitere Initiationsverlauf sowie die Elongation ist mit dem der Prokaryoten funktional identisch.

Terminale Sequenzen wurden bisher bei den Eukaryoten nicht entdeckt. Sie scheinen auch keine Bedeutung zu haben, da der Replikationsapparat automatisch beendet wird, sobald das Ende der DNA erreicht wird. Hierbei ergibt sich aber, im Gegensatz zur ringförmigen DNA-Struktur der Prokaryoten, ein Problem: Die DNA-Polymerase synthetisiert am Mutterstrang jeweils von 3′ nach 5′. (Der Tochterstrang hat also die Ausrichtung 5′→3′) Die Polymerase benötigt aber eine Primase als Starthilfe, um DNA duplizieren zu können. Die Primase ist ein Enzym, welches eine kurze Startsequenz der DNA als RNA repliziert. Dieses Anfangsstück präsentiert der DNA-Polymerase ein Nukleotid mit einem freien 3′-OH-Ende, an welches es weiter DNA-Nukleotide synthetisieren kann. Nach erfolgreicher Synthese werden die RNA-Primer von Enzymen (Flap-Endonukleasen) zerstört und hinterlassen so Lücken. An den Telomeren, den Enden der Chromosomen, können diese Lücken aber nicht geschlossen werden, da kein vorhergehendes 3′-Ende vorhanden ist. Ganz ähnlich entstehen die Okazaki-Fragmente bei der Synthese des Verzögerungsstrangs. Hierbei muss die Polymerase nämlich in die verkehrte Richtung arbeiten, weshalb viele Primasen verwendet werden müssen. Die Primase liegt bei Eukaryoten im Gegensatz zu Prokaryoten nicht als eigenes Enzym, sondern gebunden an die DNA-Polymerase alpha (Polα) vor. Die dabei entstehenden Lücken werden aber von Polδ gefüllt und mit DNA-Ligasen verbunden. Dies ist möglich, da hier immer ein vorhergehendes Nukleotid mit einem 3′-Ende vorhanden ist. Da an den Telomeren keine solchen Nukleotide vorhanden sind, ist die vollständige Synthese der Enden nicht möglich. So verkürzen sich bei jeder Chromosomenverdopplung die Telomere am 5′-Ende beider Tochterstränge. Da Telomere aus einer tandemartig-repetitiven Sequenz, also einer hintereinander sich wiederholenden Sequenz aufgebaut sind, die keine Strukturgene beinhaltet, ist ein Verlust bis zu einer gewissen Länge nicht von großem Nachteil. Man vermutet aber, dass die DNA mit zunehmender Replikationsanzahl instabiler wird, da die stabilisierende Wirkung der Telomere immer schwächer wird. Eventuell könnte dies ein genetisches Indiz für das Altern sein.

Außer bei Einzellern wie dem Wimpertierchen Tetrahymena[31] hat man bei Vielzellern in den Keimbahnzellen und Stammzellen sowie im Knochenmark (Blutbildung) und auch bei einigen Tumorzellen ein Enzym namens Telomerase entdeckt, welches diesen Verlust kompensiert. Dies ist eine Reverse Transkriptase (RNA-abhängige DNA-Polymerase), denn in ihr liegt die repetitive Sequenz als Matrize in RNA-Form vor. Sie verlängert den Leitstrang um einige Sequenzen, so dass die DNA-Polymerase nach erfolgtem Priming den Folgestrang synthetisieren kann.

Während der S-Phase des Zellzyklus bindet das Protein Cohesin die beiden Schwesterchromatiden der gesamten Länge nach aneinander. Während der Anaphase löst das Enzym Separase das Cohesin wieder auf, sodass die Schwesterchromatiden von den Spindelfasern zu den Zellpolen gezogen werden können.

Zusammenfassung: Ablauf der ReplikationBearbeiten

Im ersten Schritt wird die DNA durch das Enzym Topoisomerase entwunden. Dann kann der Doppelstrang durch das Enzym Helikase in zwei Einzelstränge gespalten werden (durch Lösen der Wasserstoffbrückenbindungen). Es entsteht eine Replikationsgabel. Nun lagern sich Primer an die Einzelstränge, als Startsequenz für die DNA-Polymerase, an. Die DNA-Polymerase liest vom 3′- zum 5′-Ende, synthetisiert dementsprechend vom 5′- zum 3′-Ende.

Am Leitstrang wird kontinuierlich synthetisiert, da dieser von 3′ nach 5′ verläuft, der Folgestrang dagegen diskontinuierlich, weil die Stränge antiparallel (gegenläufig) sind. Daher entstehen am Folgestrang Okazaki-Fragmente (der Strang wird stückweise von der DNA-Polymerase von 5′ zu 3′ synthetisiert). Diese Fragmente werden dann von der Ligase (Klebeenzym) wieder zu einem Gesamtstrang verknüpft. Das Ergebnis sind zwei identische DNA-Stränge; die Replikation erfolgte semi-konservativ, da jeder Doppelstrang aus einem ursprünglichen und einem neusynthetisierten Einzelstrang besteht.

Siehe auchBearbeiten

LiteraturBearbeiten

  • Rolf Knippers, Alfred Nordheim (Hrsg.): Molekulare Genetik. 10., vollst. überarb. und erw. Auflage. Thieme, Stuttgart 2015, ISBN 978-3-13-477010-0.

WeblinksBearbeiten

 Commons: DNA-Replikation – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. a b R. Chaudhry, S. S. Bhimji: Biochemistry, DNA Replication. StatPearls Publishing; 2018. PMID 29489296.
  2. Craig E. Cameron: Viral Genome Replication. Springer Science & Business Media, 2009, ISBN 978-0-387-89456-0, S. 201.
  3. Tai-An Cha, Bruce M. Alberts: In vitro studies of the T4 bacteriophage DNA replication system. In: Thomas Kelly, Bruce Stillman (Hsg.): Cancer Cells. 6: Eukaryotic DNA replication. CSH Laboratory, Cold Spring Harbor 1988: 1–10. ISBN 0-87969-308-8.
  4. Lynne Suzanne Cox: Molecular Themes in DNA Replication. Royal Society of Chemistry, 2009, ISBN 978-0-854-04164-0, S. 156.
  5. Hewson Swift: The constancy of desoxyribose nucleic acid in plant nuclei. In: Proc Nat Acad Sci USA 36, 1950: 643–654.
  6. E R Gaginskaya, V L Kasyanov, G L Kogan: Amplification of ribosomal genes and formation of extrachromosomal nucleoli in oocytes of starfish Henricia hayashi (Asteroidea: Echinasteridae). In: Cell Differ 23, 1988: 53–60.
  7. Ulrich Scheer, Michael F Trendelenburg, G Krohne, Werner W Franke: Lengths and patterns of transcriptional units in the amplified nucleoli of oocytes of Xenopus laevis. In: Chromosoma 60, 2, 1977: 147–167.
  8. E N Andreyeva, T D Kolesnikova, E S Belyaeva, R L Glaser, Igor F Zhimulev: Local DNA underreplication correlates with accumulation of phosphorylated H2Av in the Drosophila melanogaster polytene chromosomes. In: Chromosome Res 16, 2008: 851–862.
  9. Helmut Zacharias: Allocyclic behaviour and underreplication of the nucleolus chromosome in Pseudodiamesa (Chironomidae). In: Chromosoma 89, 1984: 263–273.
  10. Emil Heitz: Über α- und β-Heterochromatin sowie Konstanz und Bau der Chromomeren bei Drosophila. In: Biol Zentralblatt 54,1934: 588–609. → Seite 596: Beschreibt erstmals Unterreplikation des Heterochromatins bei Drosophila virilis.
  11. Theodor Boveri: Die Entwicklung von Ascaris megalocephala mit besonderer Rücksicht auf die Kernverhältnisse. In: Festschrift zum siebzigsten Geburtstag von Carl von Kupffer. Fischer, Jena 1899: 383–429.
  12. Theodor Boveri: Die Potenzen der Ascarisblastomeren bei abgeänderter Furchung. Zugleich ein Beitrag zur Frage qualitativ-ungleicher Chromosomen-Teilung. In: Festschrift 60. Geburtstag Richard Hertwigs. Vol III. Fischer, Jena 1910: 133–214.
  13. Sigrid Beermann: The diminution of heterochromatic chromosomal segments in Cyclops (Crustacea, Copepoda). In: Chromosoma 60, 1977: 297–344.
  14. R A Finch: Tissue-specific elimination of alternative whole parental genomes in one barley hybrid. In: Chromosoma 88, 1983: 386–393.
  15. Walter Nagl: Heterochromatin elimination in the orchid Dendrobium. In: Protoplasma 118, 1983: 234–237.
  16. Dieter Ammermann: Germ line specific DNA and chromosomes of the ciliate Stylonychia lemnae. In: Chromosoma 95, 1987: 37–43.
  17. Jianbin Wang, Shenghan Gao, Yulia Mostovoy, Yuanyuan Kang, Maxim Zagoskin, Yongqiao Sun, […], Richard E Davis: Comparative genome analysis of programmed DNA elimination in nematodes. In: Genome Res 27, 12, 2017: 2001–2014. PDF.
  18. Helmut Zacharias, Inge Kronberg: Telomere: Ende gut, alles gut. In: Biologie in unserer Zeit 6, 2009: 366–367.
  19. Thomas J Nicholls, Michal Minczuk: In D-loop: 40 years of mitochondrial 7S DNA. In: Exp Gerontol 56, 2014: 175 –181. → Die Funktion der 7S-DNA steht hier immer noch zur Diskussion.
  20. Josef Köck, Christine Rösler, Jing-Jing Zhang, Hubert E Blum, Michael Nassal, Christian Thoma: Generation of covalently closed circular DNA of hepatitis B viruses via intracellular recycling is regulated in a virus specific manner. In: PLoS Pathog 6, 9, 2010: e1001082. PDF.
  21. J A Ruiz-Masó, C Machón, L Bordanaba-Ruiseco, M Espinosa, M Coll, G Del Solar: Plasmid rolling-circle replication. In: Microbiol Spectr 3, 1, 2015: PLAS-0035-2014. PDF.
  22. T Santos, P Pereira, J A Queiroz, C Cruz, F Sousa: Plasmid production and purification: An integrated experiment-based biochemistry and biotechnology laboratory course. In: Biochem Mol Biol Educ 2019 Nov; 47, 6, 2019: 638–643.
  23. Salvador Edward Luria, James E. Darnell Jr., David Baltimore, Allan Campbell: General Virology. 3rd Edition. John Wiley & Sons, New York etc. 1978. ISBN 0-471-55640-8. → Seiten 306f: Viral genetic systems: Classification of animal viruses.
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