Grundlagen der Genetik: DNA, Replikation und Transkription

Die DNA und ihre Funktionen

Die DNA ist der Träger der Gene und enthält Informationen zur Kontrolle der Synthese von Enzymen und Proteinen in einer Zelle oder einem Organismus. Sie ist in der Lage, sich mit großer Treue zu kopieren, weist ein geringes Maß an Mutationen auf und befindet sich auf den Chromosomen.

Das Griffith-Experiment

Griffith arbeitete mit zwei verschiedenen Bakterienstämmen:

• Stamm (R): Produziert raue Kolonien ohne Polysaccharidkapsel. Er hat keine schädlichen Auswirkungen bei Mäusen, da die Bakterien von den weißen Blutkörperchen phagozytiert werden.
• Stamm (S): Erzeugt glatte Kolonien mit einer Polysaccharidkapsel. Diese Kolonien verursachten eine tödliche bakterielle Infektion bei Mäusen und wurden nicht phagozytiert, da die Polysaccharidkapsel sie vor den weißen Blutkörperchen schützte.

Griffith fand heraus, dass die Injektion von toten S-Typ-Bakterien und lebenden R-Typ-Bakterien in Mäuse deren Tod verursachte. Eine Mischung aus lebenden R-Typen mit toten S-Typ-Bakterien führte dazu, dass sich lebende S-Typ-Bakterien entwickelten. Hieraus ergab sich, dass etwas in den toten S-Bakterien die lebenden R-Bakterien in den S-Typ transformierte.

Das Hershey-Chase-Experiment

Um festzustellen, ob das genetische Material aus Nukleinsäure oder Protein besteht, markierten Hershey und Chase die Virus-DNA mit ³²P und das virale Kapsid-Protein mit ³⁵S. Beim Mischen der radioaktiven Viren mit E. coli wurde die radioaktive DNA in den bakteriellen Wirt injiziert, während die meisten Proteine außerhalb verblieben.

Der Aufbau der Gene

Ein Gen ist die Grundeinheit der Vererbung, eine physikalische und funktionale Region auf dem Chromosom, welche die genetische Information an die nächste Generation trägt. Zurzeit unterscheidet man zwei Arten von Sequenzen: strukturelle und regulatorische. Innerhalb der strukturellen Region gibt es kodierende Bereiche (Exons) und nicht-kodierende Bereiche (Introns).

Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten

Die genetische Struktur von Viren und Prokaryoten unterscheidet sich wesentlich von der der Eukaryoten. In bakteriellen und viralen Systemen ist die Information in einem Cistron in der Regel kontinuierlich (obwohl einige bakterielle Gene Introns enthalten). In Eukaryoten enthalten viele Gene kodierende Sequenzen (Exons), die in regelmäßigen Abständen durch nicht-kodierende Sequenzen (Introns) unterbrochen werden.

In Prokaryoten wird nahezu die gesamte DNA für die Proteinsynthese verwendet und besteht aus einer kontinuierlichen Abfolge von Nukleotiden. In eukaryotischen Zellen erscheint hingegen ein Überschuss an DNA, von dem nur etwa 10 % für die Synthese genutzt werden; der Rest hat keine bekannte Funktion. Ein weiteres Merkmal ist, dass die eukaryotischen Nukleotidsequenzen (Gene) meist nicht kontinuierlich sind. Komplexe Arten besitzen reichlich und lange Introns in ihrem Genom. Diese bilden einen evolutionären Vorteil, da sie die meiotische Rekombination begünstigen und somit die genetische Variabilität für die Evolution erhöhen.

Der Informationsfluss in der Genetik

Alle RNA-Viren können ein Enzym namens Reverse Transkriptase produzieren, das einen komplementären DNA-Strang aus einer RNA-Vorlage synthetisiert. Die RNA kann in einigen Fällen auch als Form für ihre eigene Replikation dienen, was bei einer kleinen Zahl von Phagen beobachtet wurde. Die Reverse Transkriptase ist besonders wichtig bei Infektionen und der Umwandlung normaler Zellen in Krebszellen.

Die DNA-Replikation

Dies ist der Prozess, durch den aus einem übergeordneten DNA-Molekül zwei Tochter-DNA-Moleküle mit der ursprünglichen Sequenz synthetisiert werden.

Replikation in Prokaryoten

Die Replikation wird durch natürliche Enzyme und nicht-enzymatische Proteine gesteuert:

• DNA-Polymerasen: Diese Enzyme katalysieren die Bildung von Phosphodiester-Bindungen in 5'->3'-Richtung.
• Annahmen zur Replikation: Die DNA-Stränge trennen sich und jeder dient als Vorlage für einen neuen Strang (semikonservativ).
• Typen der Polymerasen: DNA-Polymerase I dient der Reparatur und dem Auffüllen kleiner Segmente. DNA-Polymerase II dient als alternative Reparatur-Polymerase. DNA-Polymerase III ist das wichtigste Enzym bei der aktiven Replikation.
• Helikasen: Diese Enzyme brechen die Wasserstoffbrückenbindungen auf und öffnen die Doppelhelix.
• Primase: Ein Enzym, das die Bildung eines RNA-Fragments (Primer) katalysiert, welches die Replikation startet.
• SSB-Proteine: Diese Proteine dienen der Aufrechterhaltung der Trennung der Ketten.
• DNA-Ligase: Ein Enzym, das zwei Fragmente derselben Kette verbindet.

Kontinuierliche und diskontinuierliche Replikation

Die Replikation erfolgt bidirektional. Da die DNA-Polymerase nur in 5'->3'-Richtung arbeiten kann, die Stränge aber antiparallel verlaufen, ist die Replikation am 3'-5'-Vorlagenstrang kontinuierlich möglich. Am komplementären Strang erfolgt sie diskontinuierlich durch die Synthese kleiner Bruchstücke, der sogenannten Okazaki-Fragmente. Die DNA-Polymerase III besitzt eine hohe Prozessivität und verlässt die Form erst, wenn der Strang repliziert ist.

Die Polymerasen besitzen zudem eine Exonuklease-Aktivität (Korrekturlesen). Wenn ein falsches Nukleotid eingebaut wird, kann dieses in entgegengesetzter Richtung entfernt werden. Trotz dieser Mechanismen ist die Treue nicht absolut, was Mutationen ermöglicht, die als Quelle der genetischen Variation essenziell für die Evolution sind.

Besonderheiten der Replikation in Eukaryoten

Der Prozess ist ähnlich wie bei Prokaryoten, weist jedoch aufgrund der Komplexität Besonderheiten auf:

• Chromosomen enthalten sehr lange DNA-Moleküle. Zur Beschleunigung wird die Replikation in mehreren Abschnitten (Replikons) gestartet.
• Es gibt fünf Arten von DNA-Polymerasen für Elongation und Fehlerkorrektur.
• Die DNA ist mit Histonen (basischen Proteinen) assoziiert.
• Das Ende des Chromosoms, das Telomer, stellt ein Problem dar. Nach Entfernung des letzten Primers kann die DNA-Polymerase die Lücke nicht schließen. Dies führt zur Telomerverkürzung bei jeder Zellteilung, was mit Altern und Zelltod assoziiert wird.

Der Prozess der Transkription

Die Proteinsynthese erfolgt an den Ribosomen, während die DNA im Kern verbleibt. Die mRNA dient als Vermittler. Die Transkription ist der Prozess, bei dem eine Basensequenz eines Gens auf eine komplementäre Sequenz der mRNA übertragen wird. Für diesen Vorgang im Zellkern sind erforderlich:

• Eine DNA-Kette als Vorlage.
• Enzyme: RNA-Polymerasen steuern den Prozess. Prokaryoten haben eine RNA-Polymerase, Eukaryoten besitzen drei (I, II, III).
• Ribonukleotid-Triphosphate: A, G, C und U. Die RNA-Polymerase bindet diese in 5'->3'-Richtung. In der RNA wird die Base Thymin durch Uracil ersetzt.