DNA Replikation Flashcards
bidirektionale DNA-Replikation: 3 Phasen
Bakteriengenom + Kerngenom der Eukaryoten
Initiation
Erkennung der Position(en) auf dem DNA-Molekül, an denen die Replikation beginnen wird
Elongation
Prozesse an der Replikationsgabel
Termination
sobald das Ausgangsmolekül vollständig repliziert wurde; noch nicht vollständig verstanden
Endreplikations-Problem an den Telomeren
Sonderfall asymmetrische Replikation:
• Verdrängungsreplikation bei mtDNA und ptDNA
•„rolling circle“-Replikation bei Plasmiden und Phagen
Initiation der Replikation
ringförmiges Bakteriengenom: 1 ori (origin of replication) ca. 4600 kb
Hefe Saccharomyces cerevisiae: 332 ARS (autonom replizierende Sequenz) ca. 36 kb
Mensch: ca. 20 000 ca. 150 kb
Initiation bei S. cerevisiae und höheren Säugern
Saccharomyces cerevisiae (Bäckerhefe)
• Länge ca. 200 bp
• Domäne A und B1 bilden die Ursprungserkennungssequenz, daran
bindet der Ursprungserkennungskomplex ORC (origin recognition complex)
• Domäne B3 bindet das Protein ARS-Bindungsfaktor 1 (ABF-1), dadurch wird Domäne B2 aufgeschmolzen
-> Helikase und weitere Enzyme binden an die Replikationsgabeln, Elongation startet
höhere Säuger
Initiationsregionen = spezifische Regionen, an denen die Replikation beginnt analog zu ARS der Hefe? oder eher durch 3D-Struktur bestimmt? einige Säuger-Proteine können in der Hefe den ORC ersetzen
-> Hefe ist ein geeigneter Modell-Organismus
Initiation bei E. coli: oriC
Abbildung
DNA-Synthese
erfolgt immer von 5‘ nach 3‘
5‘ nach 3‘ bezieht sich auf den neu gebildeten Strang
DNA-Polymerase: 2 Probleme
Problem 1: braucht ein doppelsträngiges DNA-Stück als Startpunkt! -> Primase
Problem 2: kann Nukleotide
nur am 3‘-OH-Ende anfügen! -> Okazaki-Fragment
Primase
Definition
Primasen sind Enzyme, die in allen Organismen vorkommen. Sie sind RNA-Polymerasen, die einen kurzen RNA-Primer synthetisieren und dabei einzelsträngige DNA als Matrize verwenden.
Hintergrund
DNA-Polymerasen können aufgrund ihrer enzymatischen Eigenschaften nur an einem 3’-OH-Ende neue Nukleotide anhängigen. Diese werden ihr in Form von Primer-RNA durch die Primase zur Verfügung gestellt. Ohne funktionsfähige Primasen ist die DNA-Replikation unmöglich
proof reading
Einige Polymerasen können korrekturlesen
Einbau eines richtigen Nukeotids am 3‘-Ende
des neu synthetisierten Strangs ->
Basenpaarung mit dem Matrizenstrang,
schnelle Polymerase-Aktivität gewinnt ->
weitere Verlängerung
Einbau eines falschen Nukeotids am 3‘-Ende
des neu synthetisierten Strangs: Fehlpaarung ->
keine Basenpaarung mit dem Matrizenstrang,
Polymerase-Aktivität ausgebremst,
3‘->5‘-Exonuklease-Aktivität gewinnt ->
Entfernung des falschen Nukleotids
Replisom
Definition
Als Replisom wird die Gesamtheit alle Enzyme und Proteine bezeichnet, welche die Replikation durchführen und an der Replikationsgabel präsent sind. Der Name ist an das Ribosom angelehnt.
Hintergrund
Die Replikation ist ein hochkoordinierter Prozess, der die Zusammenarbeit einer Vielzahl von Proteinen erfordert. Deswegen wird das Replisom auch als molekulare Maschine charakterisiert. Generell ist das eukaryotische Replisom komplexer als das prokaryotische. Dies bezieht sich einerseits auf die Kernproteine, die oftmals aus deutlich mehr Untereinheiten bestehen, andererseits auch auf zahlreiche zusätzliche Faktoren, die kein äquivalent in Prokaryoten besitzen.
Proteine, die sich zwar an der Initiation der Replikation beteiligen, aber später nicht an der Replikationsgabel präsent sind, gelten nicht als Teil des Replisoms (z.B. ORC, DnaA).
Termination der Replikation in E. coli
an Terminator-Sequenzen (ter) gebundenes
Tus-Protein blockiert Helikase in einer Richtung
Replisom zerfällt, wenn die beiden Replikationsgabeln aufeinander treffen
nach Replikation sind beide Ringe verkettet: Catenan
Topoisomerase II:
- führt einen Doppelstrangbruch in einen Ring ein
- zieht den anderen Ring durch den Bruch hindurch
- verschließt den Bruch wieder
Endreplikations-Problem
Telomere: Enden der Chromosomen aus repetetiver DNA,
bei Wirbeltieren: 5‘-TTAGGG-3‘ mehrere 1000mal wiederholt
-> Bindung spezifischer Proteine (Sheltrin), Schutz
-> Faltung in bestimmte Sekundärstruktur (Quadrupelhelix, t-Loop)
Problem: bei lineraren Chromosomen Verkürzung der Telomere
Lösung durch Telomerase:
• RNA-abhängige DNA-Polymerase
• aus mehreren Protein-Untereinheiten, darunter eine
Reverse-Transkriptase-Einheit (TERT)
• und einer RNA-Untereinheit = TR
Telomerase ist in höheren Eukaryoten nur aktiv
• in Keimbahnzellen
• in Zellen, die sich sehr häufig teilen müssen
(Stammzellen, Immunzellen)
• in Krebszellen (Therapeutika?)
alle anderen Zellen altern!
Telomerase
Definition
Bei der Telomerase handelt es sich um ein Enzym, das der Verkürzung der Chromosomenenden (Telomeren) im Rahmen der Zellteilung entgegenwirkt.
Funktion
Bei jeder Mitose verkürzen sich die Telomeren, die aus mehreren hundert einzelsträngigen DNA-Sequenzwiederholungen bestehen. Nach der Alters-Theorie von Hayflick (1969) führt dies dazu, dass sich Zellen (z.B. Fibroblasten) nur begrenzt teilen können und schließlich in Form der Apoptose sterben. Das im Zellkern befindliche Enzym Telomerase wirkt dem entgegen. Die Telomerase ist nicht in allen Zellen aktiv. Nachweisbar ist diese v.a. in sich schnell teilenden Zellen wie Knochenmarkszellen, Keimbahnzellen, Stammzellen (adult und embryonal), in einigen Zellen des Immunsystems, in Krebszellen sowie in einzelligen Organismen.
Eine niedrige Aktivität der Telomerase wird mit Zellalterung assoziiert. Gleichzeitig wirkt eine geringe Aktivität aber auch einer unkontrollierten Zellteilung (Tumorwachstum) entgegen. Moderne Anti-Aging-Experimente befassen sich damit, ob eine Steigerung der Telomeraseaktivität das Altern verlangsamt.
asymmetrische Replikation: „rolling circle“-Replikation
• auch Rollender-Ring-Replikation genannt • bei Phagen (z.B. λ) und Plasmiden • schnell viele Kopien herstellen Nuklease führt Einzelstrangbruch (nick) ein -> freies 3‘-Ende dient als Primer für die Replikation des inneren Strangs, neu synthetisierter Strang verdrängt den äußeren Strang -> Innenstrang kann mehrfach als Matrize dienen -> entstehender Einzelstrang wird in Okazaki-Fragmenten repliziert (und zirkularisiert)
