Was ist DNA-Replikation
DNA, kurz für Desoxyribonukleinsäure, ist das selbstreplizierende Material, das in fast allen lebenden Organismen als Hauptbestandteil der Chromosomen vorhanden ist. Sie ist der grundlegende Träger der genetischen Information und in praktisch jeder Zelle unseres Körpers vorhanden.
Die Doppelhelix-DNA besteht aus zwei asymmetrischen Strängen. Jeder Strang besteht aus aneinandergereihten Nukleotiden, die an die entsprechenden Nukleotide des anderen Strangs gebunden sind und so eine leiterartige Struktur bilden. Die DNA besteht aus vier Nukleotiden – den Bausteinen der Nukleinsäuren -, die sich aus einer stickstoffhaltigen Base, einem Fünf-Kohlenstoff-Zucker (Ribose oder Desoxyribose) und mindestens einer Phosphatgruppe zusammensetzen.
Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C) werden als Nukleotide bezeichnet. A und G werden als Purine bezeichnet, während T und C als Pyrimidine bezeichnet werden. Nach den Regeln der Basenpaarung paart sich A immer mit T und C immer mit G.
Bevor sich eine Zelle entweder durch Mitose oder Meiose verdoppelt oder teilt, muss die DNA repliziert werden, um sicherzustellen, dass jede neue Zelle die richtige Anzahl von Chromosomen erhält. Dieser Prozess findet in allen lebenden Organismen statt und ist die Grundlage für die biologische Vererbung.
Die DNA-Replikation erfolgt in mehreren Schritten, an denen mehrere Proteine, die so genannten Replikationsenzyme, sowie die RNA beteiligt sind. Die DNA-Replikation ist lebenswichtig für das Zellwachstum, die Reparatur und die Reproduktion in Organismen.
Schritte der DNA-Replikation
Es gibt drei Hauptschritte der DNA-Replikation: Initiation, Elongation und Terminierung.
Um in den Zellkern zu passen, ist die DNA in fest gewickelte Strukturen, das so genannte Chromatin, gepackt, die sich vor der Replikation lockern, so dass die Replikationsmaschinerie der Zelle Zugang zu den DNA-Strängen erhält.
Bevor die DNA-Replikation beginnen kann, muss die Doppelhelixstruktur der DNA-Moleküle „entpackt“ werden. Das Enzym Helicase ist an diesem Prozess beteiligt und bricht die Wasserstoffbrücken, die die komplementären Basen der DNA zusammenhalten (A mit T und C mit G). Durch die Trennung entsteht eine „Y“-Form, die als Replikationsgabel bezeichnet wird, und die beiden Einzelstränge der DNA dienen nun als Vorlage für die Herstellung neuer DNA-Stränge.
Als Nächstes bindet das Einzelstrang-DNA-Bindungsprotein (SSB-Protein) an die nun einzelsträngige DNA und verhindert so, dass die sich trennenden Stränge wieder zusammenkommen.
Die beiden Stränge der Doppelhelix-DNA werden durch Querstreben miteinander verbunden, die sich umeinander drehen. Damit dies funktioniert, verläuft jeder DNA-Strang in entgegengesetzter Richtung.
Einer der Stränge ist in 3′-5′-Richtung (zur Replikationsgabel hin) ausgerichtet, dies ist der führende Strang. Da das Enzym, das die Replikation durchführt, die DNA-Polymerase, nur in der 5′-3′-Richtung funktioniert, bedeutet dies, dass die Tochterstränge auf unterschiedliche Weise synthetisiert werden, wobei einer der Stränge die Nukleotide einzeln in Richtung der Replikationsgabel hinzufügt, während der andere die Nukleotide nur stückweise hinzufügen kann. Der erste Strang, der Nukleotide einzeln repliziert, ist der führende Strang; der andere Strang, der sich in Stücken repliziert, ist der nachlaufende Strang.
Die Bezeichnungen 5′ und 3′ bedeuten „fünf Primzahlen“ und „drei Primzahlen“, die die Kohlenstoffzahlen im Zuckergerüst der DNA angeben. Diese Zahlen geben die chemische Ausrichtung von Ende zu Ende an, wobei die Zahlen 5 und 3 das fünfte bzw. dritte Kohlenstoffatom des Zuckerrings bezeichnen. An das 5′-Kohlenstoffatom ist eine Phosphatgruppe gebunden, an das 3′-Kohlenstoffatom eine Hydroxylgruppe (-OH). Es ist diese Asymmetrie, die einem DNA-Strang eine „Richtung“ gibt und eine einfache Bindung zwischen den Nukleotiden der gegenüberliegenden Stränge ermöglicht.
Es ist wichtig zu beachten, dass die beiden Seiten durch zwei verschiedene Prozesse repliziert werden, um den Richtungsunterschied zu berücksichtigen.
| Vorlaufender Strang | Nachlaufender Strang |
| Ein kurzes Stück RNA, Primer genannt, das von einem Enzym namens Primase hergestellt wird, bindet an das Ende des vorlaufenden Strangs in der Richtung 5′ zu 3′. Der Primer dient als Ausgangspunkt für die DNA-Synthese.
Enzyme, die als DNA-Polymerasen bezeichnet werden, erzeugen neue komplementäre Nukleotidbasen (A, C, G und T) und sind für die Bildung des neuen Strangs durch einen Prozess verantwortlich, der Elongation genannt wird. In eukaryotischen Zellen sind die Polymerasen alpha, delta und epsilon die primären Polymerasen, die an der DNA-Replikation beteiligt sind. Diese Art der Replikation wird als „kontinuierlich“ bezeichnet. |
Der nacheilende Strang beginnt den Replikationsprozess, indem er sich an verschiedenen Stellen entlang des nacheilenden Strangs mit mehreren RNA-Primern bindet, die vom Primase-Enzym erzeugt werden.
DNA-Stücke, so genannte Okazaki-Fragmente, werden zwischen den Primern an den nacheilenden Strang angehängt, ebenfalls in der Richtung von 5′ nach 3′. Diese Art der Replikation wird als „diskontinuierlich“ bezeichnet, da die Okazaki-Fragmente später zusammengefügt werden müssen. |
Nach der Bildung sowohl der kontinuierlichen als auch der diskontinuierlichen Stränge entfernt ein Enzym namens Exonuklease alle RNA-Primer von den ursprünglichen Strängen. Die Lücken, in denen sich die Primer befanden, werden dann durch weitere komplementäre Nukleotide gefüllt.
Ein weiteres Enzym „liest“ die neu gebildeten Stränge, um sicherzustellen, dass sie keine Fehler enthalten.
Das Enzym DNA-Ligase fügt dann die Okazaki-Fragmente zusammen und bildet einen einzigen, einheitlichen Strang.
Ein spezieller Typ von DNA-Polymerase-Enzym, die Telomerase, katalysiert die Synthese von Telomer-Sequenzen an den Enden der DNA. Telomere sind Regionen mit sich wiederholenden Nukleotidsequenzen an jedem Ende eines Chromatids, die das Ende des Chromosoms vor dem Verfall oder der Verschmelzung mit benachbarten Chromosomen schützen. Man denke an Schnürsenkelkappen. Telomere sind auch ein Biomarker für den Alterungsprozess, denn sie verkürzen sich bei jeder Zellteilung oder, anders ausgedrückt, mit zunehmendem Alter. Wenn sich die Telomere einer Zelle verkürzen, verliert sie ihre Fähigkeit, normal zu funktionieren. Im Grunde genommen machen kürzere Telomere anfälliger für eine Reihe von Krankheiten wie Krebs oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen.
Schließlich wickeln sich der Mutterstrang und sein komplementärer DNA-Strang zur bekannten Doppelhelixform auf. Das Ergebnis sind zwei DNA-Moleküle, die aus einer neuen und einer alten Kette von Nukleotiden bestehen. Jede dieser beiden Tochterhelixen ist eine nahezu exakte Kopie der elterlichen Helix (sie ist aufgrund von Mutationen nicht zu 100 % identisch).
Das menschliche Genom – d. h. der vollständige Satz von Genen im Zellkern – besteht aus 3 Milliarden Basenpaaren. Es ist bemerkenswert, dass unsere biologische Maschinerie nur sehr wenig Zeit braucht, um etwas so Langes zu kopieren. Jede Zelle vollendet den gesamten Prozess in nur einer Stunde!