DNA (Replikation)

Die Replikation oder Reduplikation der DNA findet bei Eukaryoten natürlicherweise im Rahmen der Zellteilung (Mitose) statt, und zwar während der S-Phase (Synthese-Phase), kurz bevor sich die Zelle teilt. Dabei bedeutet Replikation in der Regel eine exakte Verdopplung der DNA, also des Chromosomensatzes, damit die neue Zelle die vollständige Erbinformation erhält.

Um eine Verdopplung zu erhalten, wird der DNA-Strang (Doppelhelix) zunächst aufgespalten, damit die im ’Innenraum’ sitzenden, getrennten Basenpaare ergänzt werden können (semikonservatives Prinzip, d. h. semi = halb, conservare = erhalten, eine Hälfte der DNA wird erhalten, die andere ergänzt). Der Startpunkt (Replikationsursprung oder Origin, bei den Eukaryoten sind es aufgrund der Langsamkeit der DNA-Polymerase mehrere) liegt dabei oftmals im mittleren Bereich des DNA-Stranges. Von dort wird in der Regel in beide Richtungen (bidirektional) repliziert.

Die DNA-Replikation wird in vier Phasen aufgeteilt:

• Initiationsphase

In der Initiationsphase wird die in vielen Schleifen aufgewickelte DNA zunächst ’entwirrt’. Dabei entstehen ähnlich einer entknoteten Telefonschnur Torsionsspannungen, die von der sogenannten Topoisomerase behoben werden, indem sie gezielte Einzel- oder Doppelstrangbrüche herbeiführt, den Strang glättet und anschließend wieder flickt. Hinter der Topoisomerase folgt die Helicase, die eine Entwindung und Aufspaltung der Doppelhelixstruktur bewirkt. Dadurch öffnet sich der DNA-Strang wie ein Reißverschluss in zwei Replikationsgabeln und kann nun an den Innenseiten dupliziert werden. Um die Elongationsphase vorzubereiten, also dem Hauptenzym für die Elongation, der DNA-Polymerase, den Weg zu ebnen, werden von der Primase, einer RNA-Polymerase, sogenannte Primer synthetisiert. Sie dienen dazu, der DNA-Polymerase eine geeignete Bindungsmöglichkeit an den zu verdoppelnden Einzelstrang zu liefern. Diese Primosome dienen gleichzeitig als Regulationsmechanismus, da ohne geeigneten Primer keine Elongation erfolgen kann.

• Elongationsphase

In der Elongationsphase dockt die DNA-Polymerase an den Primer des jeweiligen Stranges an und fährt nun den vor ihr liegenden DNA-Abschnitt entlang (Polymerisierung). Wichtig ist dabei, dass die DNA-Polymerase, wie auch die RNA-Polymerase bei der Proteinbiosynthese, nur von der 5’-Richtung zur 3’-Richtung ablesen kann. Das klappt bei dem einen Strang (dem Leitstrang) wunderbar, hier rückt sie direkt hinter der Helicase vor. Beim entgegengesetzten Strang (Folgestrang) kann dagegen nur stückweise repliziert werden. Hier werden also regelmäßig neue Primer angebracht, damit die DNA-Polymerase weiter arbeiten kann. Sie arbeitet sich dann vom Primer an ’rückwärts’ bis zum Primer des vorhergehenden Abschnitts vor. Die dabei entstehenden Abschnitte werden Okazaki-Fragmente genannt. 

• Interphase

Damit am Ende auf dem Folgestrang nicht überall Primerreste (RNA-Fragmente) stecken, werden die RNA-Fragmente wieder aufgelöst und die Lücken durch eine zweite DNA-Polymerase geschlossen. Den Abschluss bildet die DNA-Ligase, die die Verbindungen zwischen den jeweils alten und neuen komplementären Einzelsträngen der DNA wieder schließt. Diesen Teil bezeichnet man als Interphase.

• Terminationsphase

Im Gegensatz zu Prokaryoten haben Eukaryoten keine Terminationssequenz, die der Polymerase das Ende der Replikation verkündet. Die Polymerase stoppt einfach, sobald der DNA-Strang zu Ende ist. Allerdings gibt es hier ein kleines Problem: Am Ende des Folgestranges (dem Chromosomenende oder Telomer) kann kein Primer mehr angesetzt werden, ebenso kann auch keine DNA-Polymerase ansetzen und die letzten Basenpaare ergänzen. In der Folge wird das Chromosom immer kürzer. Diese Verkürzung ist zunächst ohne Folge, da die Enden nicht-codierende Elemente beinhalten. Sind diese aber aufgebraucht, kann sich die Zelle nicht mehr teilen, meist tritt dann der Zelltod ein. Dieser Effekt wird mit der Alterung von Organismen sowie mit der Entstehung von Krebs in Zusammenhang gebracht.