DNA Replikation

DNA Replikation

Die gesamte DNA einer Zelle wird während der S-Phase (Synthese) des Zellzyklus repliziert. Die Replikation basiert auf der komplementären Nukleotidbasenpaarung: Adenin bildet Wasserstoffbrückenbindungen mit Thymin (oder Uracil in der RNA) und Guanin bildet Wasserstoffbrückenbindungen mit Cytosin. Die Replikation erfolgt in der S-Phase des Zellzyklus vor der Zellteilung, sodass während der Metaphase der Mitose ein doppelter Chromosomensatz vorhanden ist, der während der Kernteilung (in der Anaphase) gleichmäßig auf zwei neue Tochterzellen verteilt wird.

Aktualisiert: Feb 17, 2023

Inhalt

Vorbereitung und Voraussetzungen für die Replikation

Initiation

Elongation

Termination

Telomere und klinische Relevanz

Vorbereitung und Voraussetzungen für die Replikation

Die Replikation erfolgt während der S-Phase (Synthesephase) des Zellzyklus.
Die Dauer der Zellzyklusphasen variiert bei verschiedenen Zelltypen erheblich. Bei einer typischen, schnell proliferierenden menschlichen Zelle mit einer Gesamtzykluszeit von 24 Stunden dauert die G1-Phase (Wachstum) etwa 11 Stunden, die S-Phase etwa 8 Stunden, die G2-Phase (Wachstum und Vorbereitung auf die Mitose) etwa 4 Stunden und M-Phase (Mitose) etwa 1 Stunde.
Die DNA einer menschlichen Zelle liegt größtenteils in Form von 46 Chromosomen (23 Chromosomenpaare = 2n) im Zellkern vor. Ein kleiner Teil des Erbguts befindet sich als mitochondriale DNA in den Mitochondrien. Die mitochondriale DNA enthält etwa 16.500 Basenpaare mit 37 Genen, die alle für die mitochondriale Funktion essentiell sind.

Cell cycle, consisting of G1, S, G2, and M phases — Zellzyklus: Unterteilung in G1-, S-, G2- und M-Phase
Bild von Lecturio

Initiation

Replikationsursprünge: Bestimmte Proteine erkennen DNA-Abschnitte (AT-reiche Sequenzen), von denen die Replikation beginnen kann.
- Prokaryonten besitzen nur einen einzigen Replikationsursprung.
- Eukaryoten haben mehrere Replikationsursprünge. In der menschlichen DNA gibt es mehr als 30.000 Replikationsursprünge, ohne die die S-Phase etwa 40-mal länger dauern würde.
In Prokaryoten bindet ein Protein namens DnaA an einen Replikationsursprung. Bei Eukaryoten übernimmt dies der Origin Recognition Complex (ORC), ein aus sechs Einheiten bestehender DNA-Bindungskomplex.
ATP-abhängige Helikase DnaB (Prokaryoten): Entwirrung der DNA-Doppelhelix und Trennung des Doppelstrangs in zwei Einzelstränge
- Helikase (Eukaryoten): Wanderung in 5′ → 3′-Richtung entlang des DNA-Moleküls und Bildung der Replikationsgabel, indem energieabhängig (ATP-Hydrolyse) die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen der komplementären Stränge aufgebrochen werden
- Das Bloom-Syndrom ist eine Erkrankung, die durch ein erhöhtes Krebsrisiko gekennzeichnet ist. Ursächlich ist eine Mutation im BLM-Helikase-Gen, einer der fast 100 beim Menschen vorkommenden Helikasen.
Einzelstrang-Bindungsproteine (Englisches Akronym: SSB): Bindung an die entwirrten Einzelstränge verhindert, dass sich diese nach der Trennung durch die Helikase wieder zusammenlagern
Topoisomerasen katalysieren die vorübergehende Spaltung der DNA-Stränge. Für die Replikation muss die DNA-Doppelhelix entwunden werden. Dies führt allerdings zu einer Superspiralisierung der DNA in angrenzenden Bereichen. Topoisomerasen verhindern einen durch die Superspiralisierung verursachten Bruch der Nukleinsäurestränge durch gezielte Spaltung, Entspiralisierung und erneute Verbindung der Stränge.
- Bei Prokaryonten hemmen Fluorchinolon-Antibiotika die Topoisomerasen II (DNA-Gyrase) und IV.
- In Eukaryoten hemmen die Chemotherapeutika Irinotecan und Topotecan die Topoisomerase I. Etoposid und Teniposid hemmen die Topoisomerase II.

DNA Replikation — Bei der DNA-Replikation (DNA-Synthese) wird eine Kopie des doppelsträngigen DNA-Moleküls erstellt. Dieser Prozess ist für das Leben aller Organismen von größter Bedeutung.
Bild : „DNA Replication“ von Mariana Ruiz. Lizenz: Public Domain

Polymerase	Funktion	Exonuklease-Aktivität
α	Synthese der RNA-Primer und Initiation der DNA-Synthese am Folgestrang	3′ → 5′
β	Reparatur der DNA	Keine
γ	Replikation mitochondrialer DNA	3′ → 5′
δ	Synthese des Folgestrangs und Auffüllung der DNA-Lücken nach dem Entfernen der Primer	3′ → 5′
ε	Synthese des Leitstrangs	3′ → 5′ und 5′ → 3′

Elongation

Für die DNA Replikation ist ein Primer erforderlich.
- Kurzes RNA-Fragment (8 – 10 Basenpaare)
- Komplementär zum Matrizenstrang
- Synthese durch die Primase (DNA-abhängige RNA-Polymerase)
  - In Eukaryoten ist die Primase eine Untereinheit der DNA-Polymerase α.
DNA-Synthese
- Kontinuierliche Replikation am Leitstrang
- Diskontinuierliche Replikation am Folgestrang
Leitstrang
- Kontinuierliche Replikation an der freien 3′ OH-Gruppe
- Ein Primer
Folgestrang
- Diskontinuierliche Replikation, da immer wieder eine neue freie 3′-OH-Gruppe zur Verfügung gestellt werden muss
- Bildung von Okazaki-Fragmenten (1.000 – 2.000 Nukleotide)
- Für jedes DNA-Segment wird ein Primer benötigt.
Leserichtung: 5′ → 3′
Anfügen neuer Nukleotide an das 3′-OH-Ende des neu synthetisierten Stranges
Katalysiert durch die DNA-Polymerase (Polymerase δ in Eukaryoten und DNA-Polymerase III in Prokaryoten)
- Bildung von Esterbindungen zwischen der 3′-OH-Gruppe und dem α-Phosphat des Nukleotids
- Freisetzung von Pyrophosphat
Korrekturlesen
- Polymerasen mit 3′ → 5′ Exonuklease-Aktivität
Entfernung der Primer
- Entfernung in entgegengesetzter Richtung der Synthese (5′ → 3′)
- Prokaryoten: durch die RNase H und die 5′ → 3′ Exonuklease-Aktivität der DNA-Polymerase I
- Eukaryoten: durch die FEN-1 (Flap-Endonuklease-1)
Auffüllen der Lücken
- Auffüllung mit komplementären Desoxynukleotiden
- Prokaryoten: DNA-Polymerase I fügt einzelne Desoxynukleotide hinzu und liest dann Korrektur
- Eukaryoten: DNA-Polymerase
Verbindung der Nukleotide
- DNA-Ligase verbindet die Nukleotide der aufgefüllten Lücken
- Ablauf der Reaktion:
  - Übertragung von AMP zum 5′-Phosphat-Ende
  - Spaltung von AMP → Bindung des 5′-Phosphat-Endes an das 3′-OH-Ende des anderen Fragments
Nach der Duplikation der DNA gibt es 46 Zwei-Chromatid-Chromosomen (4n).
- Reduktion auf 46 Ein-Chromatid-Chromosomen (2n) in der Anaphase (der Mitose) und Zytokinese

Termination

Bindung von Terminationsproteinen (ter-Proteine) an Terminationssequenzen in Prokaryoten
Unterschiedliche Termination bei Prokaryoten (zirkuläre DNA) und Eukaryoten (lineare DNA)
Eukaryontische Chromosomen → linear
- Es entsteht eine Lücke an Stelle des endständigen Primers.
Nach Entfernung des komplementären Primers am 5′-OH-Ende des synthetisierten Stranges, steht kein freies 3′-OH-Ende für die Auffüllung der Lücke zur Verfügung.
Die Enden der DNA verkürzen sich bei jeder Replikation um einige Nukleotide.
Aus diesem Grund gibt es eine nicht-kodierende, repetitive Sequenz (GGGTTA) mit über 10.000 Basenpaaren am Ende der eukaryontischen Chromosomen (Telomer).
Nach etwa 30 – 50 Replikationszyklen sind die Telomere vollständig abgebaut und kodierende Sequenzen (Gene) werden nicht mehr vollständig repliziert. Dadurch ist die Lebensdauer der meisten somatischen Zellen begrenzt.

Telomere und klinische Relevanz

Telomere
- Nicht-kodierende DNA-Fragmente an den 3′-Enden der Chromosomen
- Jedes Telomer besteht aus mehreren tausend Basenpaaren (Tandem-Repeats von TTAGGG)
Telomerase
- Reverse Transkriptase mit einer eigenen RNA-Vorlage
- Erhaltung der Telomere (verhindert Verkürzung der Chromosomenenden)
- Vorkommen in schnell proliferierenden Zellen, Stammzellen und Krebszellen
  - Besonders hohe Aktivität in Krebszellen, sodass die Telomere lange erhalten bleiben und die normale Lebensdauer enorm verlängert wird