DNA-Replikation: Grundlagen, Enzyme und E. coli-Mechanismen

Grundlagen der DNA-Replikation

Jeder Organismus hat die Fähigkeit, exakte Kopien von sich selbst zu erzeugen. Diese Fähigkeit basiert auf einer Form der Replikation, die entdeckt wurde, als klar wurde, dass DNA irgendwie als Vorlage für die Replikation und Transkription genetischer Informationen dient und dass jeder der beiden Stränge den anderen nach bestimmten Regeln ergänzt.

Merkmale der DNA-Replikation

• Semikonservative Replikation: Jeder DNA-Strang dient als Vorlage für die Synthese eines neuen Stranges. Das Ergebnis sind zwei neue DNA-Moleküle, von denen jedes einen neuen und einen alten Strang enthält.
• Bidirektionaler Start: Die Replikation beginnt an einem Ursprungspunkt und schreitet oft bidirektional fort.
• Syntheserichtung 5'-3': Die DNA-Synthese verläuft in 5'-3'-Richtung. Obwohl man erwarten könnte, dass einer der Stränge in 3'-5'-Richtung synthetisiert wird, ist dies nicht der Fall. Stattdessen werden die neuen Ketten in Form kurzer Stücke, den sogenannten Okazaki-Fragmenten, synthetisiert, sodass ein Strang kontinuierlich und der andere diskontinuierlich synthetisiert wird.

Beteiligte Enzyme und Anforderungen

Die Enzyme, die DNA abbauen, werden als Nukleasen bezeichnet. Sie können in zwei Haupttypen eingeteilt werden:

• Exonukleasen: Bauen Nukleinsäuren vom Molekülende her ab.
• Endonukleasen: Können an bestimmten internen Stellen beginnen.

Weitere Anforderungen für die DNA-Replikation sind:

• Eine DNA-Vorlage.
• Ein Primer mit einer freien 3'-Hydroxylgruppe, an die freie Nukleotide angefügt werden können.
• Ein hohes Maß an Fidelität (Genauigkeit). Obwohl der primäre Replikationsmechanismus nicht ausreicht, ermöglicht die interne oder Exonuklease-Tätigkeit eine zweite Überprüfung jedes hinzugefügten Nukleotids.

DNA-Replikation bei E. coli

Über 90 % der DNA-Polymerase-Aktivität bei E. coli wurde ursprünglich der DNA-Polymerase I zugeschrieben. Es stellte sich jedoch heraus, dass dieses Enzym nicht optimal für die Replikation des gesamten bakteriellen Chromosoms geeignet war. Die weitere Suche nach Polymerasen führte zur Entdeckung der DNA-Polymerase II (beteiligt an einer Art der DNA-Reparatur) und der DNA-Polymerase III, die das primäre Enzym für die Replikation bei E. coli ist.

Während die DNA-Polymerase I eine Vielzahl von Funktionen, wie z.B. die Reinigung während der Replikation, ausführt, ist die DNA-Polymerase III wesentlich komplexer. Ihre Polymerisations- und Korrekturleseaktivitäten befinden sich in den Alpha- und Epsilon-Untereinheiten.

Schlüsselenzyme und Proteine

Die Replikation der Polymerase bei E. coli benötigt mehr als 20 verschiedene Enzyme und Proteine. Die Trennung der beiden Elternstränge wird von sogenannten Helikasen durchgeführt. Diese Enzyme entfalten die DNA und bewegen sich entlang des Stranges, wobei sie ATP als chemische Energie für die Strangtrennung nutzen. Dies führt zur Entstehung einer Oberflächenspannung in der DNA-Struktur.

Primer werden von Enzymen, den sogenannten Primasen, synthetisiert und sind notwendig, damit die DNA-Synthese beginnen kann. Sie werden schließlich von der DNA-Polymerase I entfernt.

Replikationsphasen bei E. coli

Initiation

Die zentrale Komponente der Initiation ist das DnaA-Protein, das die DNA erkennt und nacheinander die DNA in der AT-reichen Region von drei 13-Basenpaar-Wiederholungen denaturiert. DnaB bindet an diese Region der DNA. Hexamer von zwei DnaB-Proteinen wirken als Helikasen, entwinden die DNA und erzeugen zwei Replikationsgabeln, während eine Gyrase die Oberflächenspannung entlastet.

Elongation

Die Elongation umfasst zwei Operationen: die Synthese des Leitstrangs und die Synthese des Folgestrangs. Ab diesem Punkt unterscheidet sich die Synthese der beiden Stränge.

Termination

Die Termination erfolgt, wenn die beiden Replikationsgabeln des E. coli-Chromosoms in einer terminalen Region aufeinandertreffen. Diese Region enthält mehrere Kopien einer 20-Basenpaar-Sequenz (Ter-Sequenz), die eine Bindungsstelle für das Tus-Protein ist. Das Tus-Protein kann die Replikationsgabel stoppen.