DNA-Replikation und Reparaturmechanismen

3) Replikation in eukaryotischen Zellen

Die DNA-Moleküle in eukaryotischen Zellen sind größer als in Bakterien und in komplexe Strukturen organisiert. Die wesentlichen Merkmale sind bei Eukaryoten und Prokaryoten gleich. In allen Eukaryoten erfordert die Einleitung einen Proteinkomplex, der durch verschiedene Proteine reguliert wird, die am Zellzyklus beteiligt sind.

Proteine wie Cdc6 und CDC1 ähneln bakteriellen Proteinen. Ihre Funktion besteht darin, die DNA-Helikasen in der Nähe des Replikationsursprungs zu laden. Die Geschwindigkeit der Replikationsgabel in eukaryotischen Zellen beträgt nur ein Zwanzigstel der in E. coli beobachteten Geschwindigkeit.

Es sind verschiedene Arten von DNA-Polymerasen an der Replikation der nuklearen Chromosomen beteiligt:

• DNA-Polymerase α (alpha): Diese besitzt keine 3'-5'-Exonuklease-Aktivität (Korrekturlesefunktion) und synthetisiert lediglich kurze Primer für Okazaki-Fragmente.
• DNA-Polymerase δ (delta): Diese verlängert die Primer. Sie ist mit einem Protein assoziiert, dem sogenannten Proliferating Cell Nuclear Antigen (PCNA), besitzt eine 3'-5'-Exonuklease-Aktivität und führt die Synthese des Leit- und Folgestrangs durch.
• DNA-Polymerase ε (epsilon): Kann die DNA-Polymerase δ in bestimmten Situationen, wie bei der DNA-Reparatur, ersetzen.

Zudem gibt es Proteine, die die Funktion des SSB-Proteins in Bakterien übernehmen, sowie den RFC (Replication Factor C), der als Klammer-Lader (Clamp Loader) die Bildung des Replikationskomplexes erleichtert. Die Beendigung der Replikation linearer eukaryotischer Chromosomen erfordert die Synthese spezieller Strukturen, der Telomere.

4) DNA-Reparaturmechanismen

DNA kann durch verschiedene Prozesse beschädigt werden. Die Bedeutung der Reparatur liegt darin, dauerhafte Veränderungen der Nukleotidsequenz – sogenannte Mutationen – zu verhindern, da diese meist schädlich sind.

Da die DNA aus zwei komplementären Strängen besteht, kann eine beschädigte Stelle an einem Strang entfernt und anhand des unbeschädigten komplementären Strangs präzise ersetzt werden. Das System muss hierbei den Matrizenstrang vom neu synthetisierten Strang unterscheiden können. Dies erreicht die Zelle durch die Markierung der DNA-Vorlage mit einer Methylgruppe.

Korrektur von Fehlpaarungen (Mismatch-Reparatur)

In E. coli basiert dies auf der Dam-Methylase, welche die DNA an spezifischen Positionen methyliert. Der vorübergehende Zustand des nicht-methylierten, neu synthetisierten Strangs ermöglicht die Unterscheidung vom Matrizenstrang. Bei einer Fehlpaarung wird der nicht-methylierte Strang in 5'-3'-Richtung abgebaut und durch eine neue DNA-Sequenz ersetzt.

Basen-Exzisionsreparatur

In der Zelle gibt es DNA-Glycosylasen, die DNA-Schäden erkennen. Während in Bakterien meist nur eine Art existiert, gibt es in Eukaryoten mindestens vier verschiedene Glycosylasen für unterschiedliche Läsionen.