DNA-Replikation

DNA-Replikation, Vorgang zur identischen Vermehrung des genetischen Materials; Voraussetzung für die Weitergabe genetischer Informationen; findet vor der Zellteilung der Prokaryoten und vor der Mitose und Meiose der Eukaryoten statt; basiert auf der Komplementarität der DNA-Doppelhelix, bei der sich die Basenfolge des eines Strangs zwangsläufig aus der Sequenz des anderen ergibt. Die D. erfolgt semikonservativ. Am Replikationsstartpunkt (origin) wird die DNA entspiralisiert und in die beiden Einzelstränge aufgetrennt. An jedem freien Polynucleotidstrang werden durch ⇒ DNA-Polymerasen nach dem Prinzip der Basenpaarung komplementäre Nucleotide angelagert und durch DNA-Ligasen unter Abspaltung von Diphosphat zu einem neuen komplementären Strang verbunden. Jeder Tochterdoppelstrang besteht somit zur Hälfte aus altem und neuem Material (semikonservativ).

    Die prinzipielle Richtigkeit dieses R.-Modells hat sich auch in neueren Untersuchungen erwiesen; Details des Vorgangs konnten v. a. am Beispiel von Escherichia coli geklärt werden: Die DNA-Stränge werden durch Topoisomerasen und Helicasen geschnitten und erneut verknüpft; dadurch wird die Doppelhelix geöffnet. Durch Proteine, die locker an die Basen binden, werden die beiden Stränge ausein-

ander gehalten. Die DNA-Polymerasen können neue DNA-Stränge nur in der Richtung von 5' nach 3' synthetisieren, d.h. sie können nur das freie 3'-Ende eines DNA-Stranges verlängern. Daher werden als ⇒ Primer am Startpunkt durch eine RNA-Polymerase kurze basenkomplementäre RNA-Sequenzen synthetisiert. Deren 3'-Ende wird von den DNA-Polymerasen als DNA-Strang fortgesetzt, wonach der Primer durch Ribonuclease abgebaut und durch die entsprechende DNA-Sequenz ersetzt wird. Da die DNA-Stränge in der Doppelhelix gegenläufig sind, muss einer der beiden neuen Stränge, der Folgestrang, von 3' nach 5' wachsen. Dies kann nur diskontinuierlich geschehen: Im Folgestrang werden kurze DNA-Stücke – nach ihrem Entdecker Okazaki-Fragmente genannt – gebildet, die Lücken durch DNA-Polymerase geschlossen und anschließend die Nucleotide durch DNA-Ligasen verbunden. Die R. kann also nur an einem der beiden Stränge, dem Leitstrang, kontinuierlich fortschreiten, am gegenüberliegenden Folgestrang verläuft sie dagegen stückweise und in Gegenrichtung: semikontinuierliche R. der DNA. Der Umweg über den RNA-Primer dient wahrscheinlich der Erhöhung der Replikationsgenauigkeit. Während das DNA-Molekül der Bakterien nur einen Startpunkt aufweist, gibt es bei den Chromosomen der Eukaryoten viele Startpunkte. Eine Replikationseinheit mit einem Startpunkt wird

als Replicon bezeichnet. Bei Eukaryoten erfolgt die DNA-R. in der Interphase. Sie ist auch aufgrund der Histone komplizierter, entspricht jedoch im Prinzip der DNA-R. von Prokaryoten.

⊙ Replikation der DNA