Replikation – Kopieren genetischer Information

Abstract

Kapitelthemen: 21.1 Semikonservative Replikation von DNA 21.2 Origin-bindende Prote-ine 21.3 Synthese des Folgestrangs 21.4 Telomerase 21.5 Präzision der Replikation 21.6 Postre-plikative Reparatur 21.7 Topoisomerasen 21.8 Nucleosomen Alle somatischen Zellen eines Organismus besitzen prinzipi-ell dieselbe genetische Information in Form ihres nucleären DNA-Datenspeichers. Vor jeder Teilung muss eine parentale Zelle ihre DNA daher exakt replizieren und einen vollständi-gen DNA-Satz an die Tochterzelle weiterreichen. Was kon-zeptionell einfach klingt, erfordert in vivo eine komplexe Maschinerie aus Enzymen sowie Regulator-und Helferpro-teinen, die DNA-Stränge mit hoher Geschwindigkeit und Präzision kopieren. Der fundamentale Vorgang der Replika-tion läuft bei Eukaryoten unter dem Schutzmantel des Zell-kerns ab. Prokaryoten haben keinen Zellkern und replizieren daher im Cytoplasma. Bakterien betreiben die DNA-Replika-tion mit der erstaunlichen Geschwindigkeit von etwa 600 Basenpaaren pro Sekunde. Menschliche Enzymsysteme arbeiten mindestens dreimal langsamer-vermutlich wegen der Histonverpackung ihrer Gene. Die Fehlerquote der Repli-kation ist bei höheren Eukaryoten mit rund 1 : 10 10 extrem niedrig, d. h. es kommt durchschnittlich nur bei jeder zehn-milliardsten Base zu einem Fehler! Eine ausgeklügelte Stra-tegie zur Korrektur von Kopierfehlern ermöglicht diese phä-nomenale Präzision. Wir wollen uns in diesem Kapitel mit der molekularen Feinmechanik der Replikationsmaschinerie befassen, die den Fortbestand und gleichermaßen-wie wir noch sehen werden-die Fortentwicklung der Arten sichert. 21.1 Die DNA-Replikation ist semikonservativ Evolutionär betrachtet ist der fundamentale Prozess der DNA-Replikation schon sehr früh entwickelt worden und hat sich von Escherichia coli bis zum Homo sapiens kaum ver-ändert. Im Folgenden sind daher oft die Vorgänge bei Proka-ryoten dargestellt, bei denen sie auch am besten verstanden sind. Die Aufgabe bei der Replikation ist klar definiert: Ein identisches Abbild einer Doppelhelix ist herzustellen. Dazu müssen erst einmal die beiden komplementären Stränge voneinander getrennt werden; die Einzelstränge dienen je-weils als Matrize für die Synthese komplementärer Stränge (Abbildung 21.1). DNA-Polymerasen verknüpfen dabei einzelne Desoxyribonucleosidtriphosphate, d. h. dATP, dCTP, dGTP, dTTP oder allgemein dNTP, kovalent unter Ab-spaltung von Pyrophosphat zu einem neuen DNA-Polymer. (DNA) n + dNTP … (DNA) n+1 + PP i (n = Anzahl der Nucleotide) Diese reversible Reaktion wird durch die Wirkung einer Py-rophosphatase, die Pyrophosphat (PP i) in einer exergonen Reaktion in zwei anorganische Phosphate (P i) spaltet, in Richtung Kettenverlängerung getrieben: Pro eingebautem Nucleotid werden also zwei energiereiche Bindungen ge-spalten. Da die Synthese simultan an beiden Matrizensträn-gen abläuft, entstehen zwei vollständig neue Tochterstränge, die zu den parentalen Strängen komplementär sind. Die bei-den neu gebildeten DNA-Doppelhelices sind untereinander vollständig identisch. Da sie aus je einem Tochter-bzw. Elternstrang bestehen, sprechen wir von semikonservativer Replikation .