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DNA- und RNA-Replikation

Die Verdoppelung des Erbguts ist elementar für das Fortbestehen des Lebens. Der molekulare Mechanismus ist bei allen Organismengruppen sehr ähnlich. Obwohl die Grundlagen schon sehr gut erforscht sind, beschäftigen sich Forscher noch heute mit Fragen rund um die Replikation der DNA. Es geht dabei nicht nur um das bloße Verständnis eines basalen biologischen Vorgangs, sondern auch um medizinische Aspekte.

Es ist eines der Merkmale des Lebens, dass es sich vermehrt. Die Information zum Aufbau der nächsten Generation ist hauptsächlich in der DNA einer Zelle gespeichert. Tochter- und Mutterzelle müssen während der Teilung daher eine identische Kopie der DNA erhalten. Die molekulare Grundlage dieses Prozesses ist die Replikation der DNA. Matthew Meselson und Franklin Stahl haben 1958 gezeigt, dass frisch verdoppelte DNA von Bakterien aus einem alten und einem neuen Einzelstrang besteht. In den 1970ern und 1980ern wurde der Mechanismus der „semikonservativen“ Replikation dann immer genauer aufgeklärt. Er besteht aus drei Phasen: der Initiation, der Elongation und der Termination. Grundlage der Replikation ist die Paarung der vier Basen, aus denen die Bausteine der DNA aufgebaut sind. Adenin paart sich dabei mit Thymin, Cytosin mit Guanin. Mehrere Dutzend Proteine vermitteln den Vorgang, an dessen Ende zwei DNA-Doppelhelizes anstatt nur einer stehen. Ein grober Blick auf die Geschehnisse während der Replikation vermittelt bereits einen Eindruck von ihrer Komplexität.

Aus eins mach zwei

Während der Initiation binden sogenannte Initiatorproteine den DNA-Doppelstrang der Elternzelle im Bereich des Startpunkts, des Origin of Replication. Das Enzym Helikase trennt die einzelnen Stränge an dieser Stelle auf und entwindet sie zusammen mit dem Enzym Topoisomerase. Damit sind die zwei komplementären Hälften der Doppelhelix für die Enzyme der Replikation zugänglich. Das Enzym DNA-Primase verknüpft eine kurze Sequenz aus RNA mit den komplementären Bausteinen auf der Eltern-DNA. Diese kurze Folge ist ein sogenannter Primer und dient dem Hauptenzym der Replikation, der DNA-Polymerase, als Startpunkt für die DNA-Synthese. Die aufgeschlossene DNA und die Enzyme der Replikation bilden zusammen die sogenannte Replikationsgabel. Während der Elongation bewegt sich diese an der DNA entlang. Die DNA-Polymerase folgt und paart neue DNA-Bausteine mit ihren komplementären Gegenstücken auf dem als Matrize dienenden Elternstrang. Sie registriert auch Fehlerpaarungen und repariert diese. Die Enden des neuen Strangs liegen von ihrer Orientierung her spiegelverkehrt zum Elternstrang, Wissenschaftler sprechen in diesem Zusammenhang von einer antiparallelen Anordnung.

Die Replikationsgabel mit allen für die DNA-Replikation wichtigen Enzymen. © Wikipedia

Der Vorgang der Elongation ist kompliziert. Einer der Gründe ist die Funktionsweise der DNA-Polymerase: Das Enzym kann neue Bausteine nur an eines der zwei Enden von bereits eingebauten Bausteinen anknüpfen. Weil die zwei DNA-Stränge antiparallel angeordnet sind, ist die Richtung der Synthese damit auf jedem der Elternstränge vorgeschrieben. Auf dem sogenannten Leitstrang weist sie in die Richtung der sich immer weiter verschiebenden Replikationsgabel, auf dem Folgestrang von ihr weg. Das hat zur Folge, dass die Replikation nur auf dem Leitstrang flüssig mit dem Aufschließen des Elternstrangs mitläuft. Auf dem Folgestrang müssen immer wieder neue RNA-Primer gesetzt werden. Die DNA-Polymerase synthetisiert hier immer wieder nur kurze DNA-Stücke, bis sie an den vorhergehenden Primer stößt. Diese Stücke heißen Okazaki-Fragmente. Die RNA-Primer werden nach kurzer Zeit entfernt und das Enzym DNA-Ligase fügt die Okazaki-Fragmente zusammen. Die Termination vermittelt schließlich ein Enzym, das die Helikase blockiert und damit die Replikationsgabel stoppt.

Unterschiede zwischen Bakterien und Eukaryonten

Die Replikation wurde zunächst in Bakterienzellen untersucht. Der Mechanismus ist bei diesen in vielerlei Hinsicht einfacher als in eukaryontischen Zellen. So gibt es in einer Bakterienzelle zum Beispiel fünf bisher bekannte Polymerasen, die sich in Struktur und Funktion leicht voneinander unterscheiden. In einer eukaryontischen Zelle sind es mehr als ein Dutzend. Das Genom von E. coli ist viel kleiner als das eines Eukaryonten. Es ist außerdem ringförmig, die DNA von Eukaryonten hingegen ist linear und in Chromosomen aufgeteilt. In E. coli läuft die Replikation ausgehend von dem Origin of Replication bidirektional von diesem weg. Es bilden sich also zwei Replikationsgabeln, die sich von einander entfernen und sich erst wieder auf der anderen Seite des Genomrings treffen, am Terminationspunkt. Bei eukaryontischen Zellen bilden sich zu unterschiedlichen Zeitpunkten Tausende Replikationsgabeln. Diese bewegen sich ebenfalls bidirektional voneinander weg, die Replikation kommt zum Stillstand, wenn zwei Gabeln aufeinanderstoßen.

Replikation und das Altern

Das gilt jedoch nicht an den Enden der Chromosomen, wo eine Replikationsgabel sozusagen ins Leere läuft. Hier entsteht ein Problem: An der Stelle des Folgestrangs, an der die DNA-Primase den letzten RNA-Primer setzt, kann die DNA-Polymerase die Replikation nicht mehr fortsetzen. Hier bleibt das endständige Stückchen der DNA unvermehrt. Mit einer wachsenden Anzahl von Teilungen wird das Erbgut daher immer kürzer. Als Schutz besitzen eukaryontische Chromosomen an ihren Enden (den Telomeren) Sequenzwiederholungen, die keine Proteine codieren. Ihr Verlust ist für die Zelle unproblematisch. Die Länge dieser Telomerkappen definiert aber die Anzahl der möglichen Teilungen und somit die Lebensspanne einer Zelle. Einige Zelltypen (zum Beispiel reifende Geschlechtszellen oder manche Tumorzellen) enthalten das Enzym Telomerase, das die Enden immer wieder verlängert und die Zelle so vor der Zellalterung und dem programmierten Selbstmord schützt.

Die Ordnung in den Zellen

Menschliche Chromosomen im Lichtmikroskop: Die genetische Information ist in eukaryontischen Zellen extrem dicht verpackt. © Wikipedia

Eine Zelle muss Fehler bei der Verdoppelung ihrer DNA um jeden Preis vermeiden, deshalb ist eine strikte Ordnung beim Kopiervorgang entscheidend. In eukaryontischen Zellen hält ein Trick das Knäuel der DNA so übersichtlich wie möglich: Bereiche des Erbguts, die gerade nicht repliziert werden, sind dicht in Chromosomen verpackt. Wissenschaftler vermuten heute außerdem, dass die Chromosomen in eukaryontischen Zellen über ein Zellskelett aus Proteinrohren und -drähten gespannt sind. Die Enzyme der Replikation sind an diese sogenannte Kernmatrix gebunden, Motorproteine ziehen das Erbgut an ihnen vorbei. In Bakterienzellen scheinen ähnliche Mechanismen für Ordnung zu sorgen.

Alles zu seiner Zeit - der Zellzyklus

Viele Bakterien teilen sich jede halbe Stunde einmal, manche noch schneller. Eukaryontische Zellen hingegen vermehren ihr Erbgut nur, wenn neue Zellen gebildet werden müssen. Auslöser sind äußere Signale, etwa nach einem Gewebeverlust oder bei einer Entzündung. Der Lebenszyklus einer eukaryontischen Zelle unterliegt einem genau definierten zeitlichen Ablauf, der in verschiedene Phasen unterteilt werden kann: In eine erste Ruhephase (G1), in die DNA-Synthese-Phase (S), in eine zweite Ruhe-Phase (G2) und eine Mitose-Phase (M). In der S-Phase verdoppelt die Zelle ihr Genom. In der anschließenden Ruhephase sorgt sie dafür, dass die DNA auch wirklich vollständig verdoppelt ist und etwaige Fehler repariert sind, bevor die Zellteilung in der M-Phase beginnt. Gesteuert wird dieser Ablauf unter anderem durch Enzyme aus der Gruppe der so genannten Cyclin-abhängigen Kinasen (CDKs). Treten bei der Kontrolle des Zellzyklus Fehler auf, dann teilen sich Zellen unter Umständen viel schneller und öfter. Genau dies ist bei vielen Krebszellen der Fall.

Die Replikation von Viren

Auch Viren vermehren sich, sie können das aber nicht komplett selbstständig, weshalb sie nicht im strengen Sinne als „lebendig“ bezeichnet werden können. Sie nutzen zum Teil den Replikationsapparat ihrer Wirtszellen, darüber hinaus haben sie eine Vielzahl unterschiedlicher „Eigenarten“ entwickelt. Wissenschaftler unterscheiden Viren nach dem Typ ihres Genoms: Möglich sind einzelsträngige oder doppelsträngige lineare RNA, einzelsträngige oder doppelsträngige lineare DNA, einzelsträngige oder doppelsträngige ringförmige DNA und Abarten dieser Formen. Einige Viren bringen einen Teil der Enzyme mit, die für ihre eigene Replikation notwendig sind. So zum Beispiel das Influenza-Virus, in dessen Hülle nicht nur ein RNA-Genom, sondern auch eine RNA-Polymerase mitreisen. Kommt das Virus in die Wirtszelle hinein, beginnt das Enzym damit, das Erbgut zu verdoppeln. Die Synthese des Genoms von DNA-Viren hingegen beginnt meistens an einem Replikations-Startpunkt, der spezifische Initiatorproteine bindet. Diese rekrutieren dann die Replikationsenzyme der Wirtszelle, die das Erbgut des Virus vermehren.

Das HIV-Virus ist ein so genanntes Retrovirus und damit ein exotischer Fall. Es heißt so, weil es während seiner Vermehrung den normalen Prozess des Umschreibens von DNA in RNA (Transkription) umdreht. Es besitzt ein einzelsträngiges RNA-Genom und eine so genannte Reverse Transkriptase. Dieses Enzym übersetzt die RNA in DNA „zurück“ und macht so die Integration des Virusgenoms in die Wirts-DNA möglich. Ist das virale Genom einmal im Erbgut der Wirtszelle eingebaut, kann es von den wirtseigenen Enzymen mehrfach in RNA umgeschrieben und auf diese Weise vermehrt werden. Weil die Replikationsmechanismen bei Viren so mannigfaltig sind, müssen Wissenschaftler, die an Medikamenten gegen Viren forschen, jedes konkrete Virus einzeln untersuchen. Viele der heutigen Medikamente stören die Replikation, so zum Beispiel die sogenannten Nukleosid-Analoga, die gegen das Hepatitis-B-Virus eingesetzt werden.

Die Replikation von Krebszellen – ein Angriffspunkt für Therapien?

Interkalantien wie Doxorubicin lagern sich zwischen die Basen der DNA (grün) ein, blockieren diese für die DNA-Polymerase und verhindern so die Replikation. © Wikipedia

Für die Medizin ist die Replikation auch in der Krebsbekämpfung von Interesse. Krebszellen sind außer Kontrolle geratene Körperzellen. Sie vermehren ihr Genom und sich selbst viel öfter als üblich. Das machen sich Forscher und Mediziner zunutze. Einige Substanzen hemmen die Replikation, und das verhindert das Wachstum von Tumoren. In der modernen Chemotherapie setzen Ärzte zum Beispiel sogenannte Alkylantien ein (z.B.: Basulfan, Ifosfamid). Diese Stoffe binden über kleine Molekülreste (Alkylgruppen) an die DNA. Weil sie je zwei Bindestellen haben, vernetzen sie damit das Erbgut, sodass dieses nicht mehr repliziert werden kann. Ein anderes Beispiel sind Platinanaloga, die zu den wirksamsten Chemotherapeutika überhaupt gehören. Sie tragen ein Platinatom in ihrer Struktur, das an die DNA bindet und diese ebenfalls vernetzt (z.B.: Cisplatin, Carboplatin). Sogenannte Interkalantien (z.B.: Anthracycline, Doxorubicin) hingegen binden an DNA und blockieren sie für die DNA-Polymerase, die ihre Synthesearbeit nicht mehr ausüben kann.

Die domestizierte Replikation

Das Prinzip, das hinter der Replikation steht, haben sich in den 1980er Jahren zum ersten Mal auch Molekularbiologen für die Laborarbeit zunutze gemacht. Untersuchen Forscher DNA, haben sie es mit sehr kleinen Mengen dieser Moleküle zu tun. Um wirksame Aussagen möglich zu machen, müssen sie die Mengen anreichern. In der sogenannten Polymerase-Kettenreaktion (PCR, polymerase chain reaction) vermehren Forscher DNA-Fragmente einer bestimmten Sequenz mit Hilfe der DNA-Polymerase. Sie nutzen dazu die sie interessierenden DNA-Stücke als Matrize und mischen diese mit freien DNA-Bausteinen und spezifischen Primer-Sequenzen. In mehreren nacheinander folgenden Schritten lösen sie die zwei Stränge der Doppelhelix unter Hitzeeinsatz voneinander und lassen die Polymerase die freien DNA-Bausteine an die komplementären Einzelstränge binden. So verdoppelt das Enzym immer wieder die gleiche Sequenz, bis die Menge genügend groß ist. Kennen die Forscher die Sequenz des zu vermehrenden DNA-Stücks nicht, so geben ihnen die eingesetzten Primer Auskunft darüber, denn diese haben eine bekannte Abfolge und ermöglichen Rückschlüsse auf das vermehrte Material. Die PCR wurde in vielerlei Hinsicht weiter entwickelt und ist heute ein automatisiertes Standardverfahren in jedem molekularbiologischen Labor.

Der Ursprung der Replikation

Wie kam es überhaupt dazu, dass sich selbstständig vermehrende Systeme bildeten? Viele Wissenschaftler vermuten heute, dass RNAs die ersten replizierenden Makromoleküle waren. RNAs sind wie DNAs prinzipiell in der Lage, durch spontane Basenpaarung negative Ebenbilder von sich selbst zu erzeugen. Anders als die doppelsträngig organisierte DNA können RNAs aber zusätzlich dazu unterschiedliche räumliche Formen annehmen, sodass sie auch als Enzyme fungieren können, die die eigene Replikation katalysieren. Eine enzymatische Aktivität wurde für einige heute bekannte RNAs in der Zelle nachgewiesen, die andere RNAs schneiden oder die Bindung zwischen zwei Aminosäuren vermitteln können. Ob die ersten Zellen aber tatsächlich ein RNA-Genom hatten und die DNA erst sekundär zu ihrer Erbsubstanz wurde, wird noch kontrovers diskutiert.

Literatur:

Rolf Knippers: Molekulare Genetik; 9., komplett überarb. Auflage 2006;Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York
Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter: Molekularbiologie der Zelle; 4.Auflage 2004; WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, Weinheim
W.J. Zeller, H. zur Hausen (Hrsg.): Onkologie; Ecomed, Landsberg 1995, Loseblattausgabe
Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/dossier/dna-und-rna-replikation