DNA-Replikation: Ablauf, Funktion und Fehler

Die Verdopplung des Erbguts in Form der DNA-Replikation ist ein enorm wichtiger Prozess, der eine Zellteilung sicherstellt. Zellen sind davon abhängig, dass dieser Prozess ordnungsgemäß stattfindet, um die Entstehung von Tumorzellen zu vermeiden. Durch Fehler in der Replikation können Mutationen bei der Entstehung von Krankheiten beitragen. In diesem Artikel werden der Ablauf, die Funktion und potentielle Fehler der DNA-Replikation besprochen.

DNA-Replikation – Definition

Die DNA-Replikation ist der Prozess, bei dem die genetische Information einer Zelle verdoppelt wird, um eine identische Kopie der DNA für die Zellteilung bereitzustellen. Dieser Prozess verläuft semikonservativ, da jede neue DNA aus einem ursprünglichen und einem neu synthetisierten Strang besteht. Die Replikation stellt sicher, dass genetische Informationen exakt weitergegeben werden.

DNA-Replikation – Ablauf

Die Replikation der DNA unterteilt sich im Ablauf in drei Phasen: die Initiation, Elongation und Termination. Die Initiation bereitet die DNA vor abgelesen zu werden, in der Elongation läuft die Synthese der DNA ab und die Termination beendet den Prozess letztendlich. In den verschiedenen Phasen sind auch viele unterschiedliche Proteine und Enzyme beteiligt. Im folgenden sollen die einzelnen Phasen genauer beleuchtet werden.

Initiation

Zunächst muss der Beginn, an dem die DNA abgelesen und kopiert werden soll festgelegt werden. Dafür gibt es speziell vorgesehene Stellen in der DNA, den sogenannten “ori” (origin of replication), also Ursprung der Replikation. Dieser Replikationsursprung wird von bestimmten Proteinen erkannt, die dann auch daran binden. Nun kommt ein Enzym an diese Stelle hinzu, das nun für die Auftrennung der Doppelstränge in Einzelstränge sorgt. Dieses Enzym ist die Helikase und die benötigt Energie in Form von ATP für diesen Schritt. Eukaryotische Zellen haben den sogenannten Mcm-Komplex, der als Helikase fungiert. Dieser Komplex setzt sich zusammen mit den schon gebundenen Proteinen als Präinitiationskomplex an den Replicationsursprung und beginnt dann bei Aktivierung mit dem Auftrennen der DNA.

Das Auftrennen des Doppelstrangs führt zur Überdrehung des noch nicht aufgetrennten Doppelstrangs (sog. “supercoils” entstehen). Damit die DNA dadurch nicht geschädigt wird, sorgen Topoisomerasen, für die Entspiralisierung, indem sie vorübergehend einen oder beide Stränge abtrennen, ihn entspiralisieren lassen und dann wieder zusammenfügen.

Damit sich die aufgetrennten Einzelstränge der DNA nicht wieder zusammenlagern, nachdem die Helikase sie aufgetrennt hat, binden Proteine wie das Replication Protein A (RPA) an die Einzelstränge.

Elongation

Nachdem die aufgetrennten Einzelstränge durch Proteine stabilisiert wurden, beginnt die DNA-Polymerase mit der Synthese der DNA. Zunächst muss jedoch von dem Enzym Primase ein “Primer” synthetisiert werden, der ein sehr kurzes RNA-Stück darstellt, das komplementär zum abzulesenden Strang (Matritzenstrang) ist. Die DNA-Polymerase fügt nun in 5′ → 3′ Richtung weitere Desoxynuklotide an, die komplementär zum Matritzenstrang sind. Genauer gesagt katalysiert das Enzym eine Esterbindung durch nukleophilen Angriff der 3’OH-Gruppe des zu verlängernden Strangs auf die α-Phosphatgruppe der Desoxynukleotide. Während dem Prozess der DNA-Synthese folgt die Polymerase dem Gleitring (Clamp), der sie auf der DNA verankert.

Der Leitstrang wird in Richtung der Replikationsgabel synthetisiert, also in der gleichen Richtung, in der die Doppelhelix entwindet wird. Hier kann die DNA-Polymerase kontinuierlich arbeiten, da sie entlang der Vorlage in 5′ → 3′ Richtung fortschreiten kann. Im Gegensatz dazu wird der Folgestrang in die entgegengesetzte Richtung der Replikationsgabel synthetisiert, also in 3′ → 5′ Richtung. Da die DNA-Polymerase nur in 5′ → 3′ Richtung arbeiten kann, wird der Folgestrang diskontinuierlich in kurzen Abschnitten, den sogenannten Okazaki-Fragmenten, synthetisiert. Diese Fragmente entstehen, weil die Polymerase immer wieder “zurückgehen” muss, um ein weiteres Fragment zu synthetisieren. Nachdem die Okazaki-Fragmente gebildet wurden, werden sie durch das Enzym DNA-Ligase miteinander verbunden, um einen kontinuierlichen Strang zu bilden.

Nun wird die DNA auf Fehler korrigiert (Proofreading), was auch von den Polymerasen übernommen wird. Sie erkennen falsch gepaarte Nukleotide, können diese entfernen und gegen die richtigen austauschen.

Da die Primer RNA-Moleküle und keine DNA-Moleküle sind, müssen sie entfernt und die Lücken aufgefüllt werden. Das Auffüllen der Lücken übernimmt vornehmlich die DNA-Polymerase δ.

Termination

Es existieren auf der DNA bestimmte Terminationssequenzen, an die Terminationsproteine binden. Beim Aufeinandertreffen des Replikationskomplexes auf diese Proteine stoppt der Prozess. Ein Problem, welches sich in eukaryotischen Zellen ergibt, ist dass sich nach jeder Replikation die Enden der linearen Chromosomen verkürzen. Das liegt daran, dass die DNA-Polymerase das äußerste Ende des Chromosoms nicht vollständig kopieren kann. Die DNA-Polymerase kann nur in 5′ → 3′ Richtung arbeiten, was bedeutet, dass sie neue Nukleotide nur am 3′ Ende des wachsenden Strangs anfügen kann. Auf dem Leitstrang funktioniert das gut, da die Polymerase in die gleiche Richtung wie die Replikationsgabel arbeitet. Beim Folgestrang ist das jedoch ein Problem, weil die Polymerase für die Replikation des letzten Abschnitts des Strangs eine freie 3′ OH-Gruppe benötigt, aber am äußersten Ende des Chromosoms gibt es diese nicht.

Damit aber bei der Replikation der DNA keine genetische Information verloren geht gibt es in linearen Chromosomen die sogenannten Telomere an den Enden, die von der Telomerase nach der Replikation angefügt werden.

Telomere

Bei Telomeren handelt es sich um repetitive DNA-Sequenzen, die an die Enden der Chromosomen angehangen werden und vor dem Verlust genetischer Information sorgen sollen. Die Telomerase ist ein Enzym, das die Verkürzung der Telomere verhindert, indem es die Telomere aktiv verlängert. Sie enthält eine kurze RNA-Sequenz, die als Vorlage für die Verlängerung der Telomere dient. In Keimzellen, Stammzellen und einigen anderen Zelltypen ist die Telomerase sehr aktiv, was dafür sorgt, dass die Telomere bei jeder Zellteilung wieder auf die ursprüngliche Länge gebracht werden und somit die Zellen weiterhin öfter teilen können. Bei den vielen somatischen (Körper-)Zellen ist die Telomeraseaktivität jedoch eher gering vorhanden, wodurch die Telomere mit jeder Zellteilung kürzer werden.

DNA-Replikation – Funktion

Die Funktion der DNA-Replikation besteht darin, eine exakte Kopie des genetischen Materials zu erzeugen, sodass jede Tochterzelle nach der Zellteilung eine vollständige Kopie der DNA erhält. Dies ist entscheidend für das Wachstum, die Entwicklung, die Reparatur und die Fortpflanzung von Zellen.

Die DNA-Replikation ist notwendig, damit bei jeder Zellteilung (wie der Mitose oder Meiose) die Tochterzellen die gleiche genetische Information wie die Ausgangszelle erhalten. Ohne diese exakte Kopie könnte die Erbinformation nicht korrekt weitergegeben werden, was zu Fehlern und Problemen in den Zellen oder sogar in den Nachkommen führen könnte.

DNA-Replikation – Replikationsfehler und Reparatur

Während der Replikation kann es vorkommen, dass falsche Nukleotide eingebaut werden. Im Anschluss der Replikation findet zwar noch ein Korrekturlesen statt, dennoch sind die DNA-Polymerasen anfällig gerade sich häufiger wiederholende Sequenzen zu überlesen.

Auch unabhängig von der Replikation können Schäden der DNA auftreten. Sie können wie die Replikationsfehler endogener Ursache sein. Dann hängt dies auch häufig mit einer chemischen Instabilität zusammen, bei der verschiedene Basen der DNA spontan desaminieren oder oxidieren. Es können aber auch exogene Ursachen die DNA schädigen, wobei dann physikalische und chemische Noxen eine wichtige Rolle spielen.

Sind Basen beschädigt, können sie entweder direkt durch Photolyase repariert werden oder durch die Basenexzisionsreparatur (BER) ausgetauscht werden. Sollte der Schaden auf Ebene der Nukleotide liegen, kann auch das gesamte Nukleotid ausgetauscht werden.

DNA-Replikation – Hemmstoffe

Es gibt verschiedene Antibiotika, wie die Chinolone, die bakterielle Toposimerasen (Gyrasen) hemmen, und dadurch “Supercoils” während der Replikation von Bakterien verursachen. Diese führen schließlich zu einer Schädigung der DNA.

Aber auch verschiedene andere Hemmstoffe können zum Angriff der menschlichen DNA-Replikation eingesetzt werden und so den Wachstum schnell teilender Zellen einschränken. So können diese Zytostatika in der Therapie verschiedener Tumore zum Einsatz kommen.