Lernziele
Am Ende dieses Abschnitts werden Sie in der Lage sein, Folgendes zu tun:
- Diskutieren Sie die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen der DNA-Replikation bei Eukaryonten und Prokaryonten
- Nennen Sie die Rolle der Telomerase bei der DNA-Replikation
Eukaryontengenome sind viel komplexer und größer als Prokaryontengenome. Eukaryoten haben auch eine Reihe von verschiedenen linearen Chromosomen. Das menschliche Genom hat 3 Milliarden Basenpaare pro haploidem Chromosomensatz, und 6 Milliarden Basenpaare werden während der S-Phase des Zellzyklus repliziert. Auf jedem eukaryontischen Chromosom gibt es mehrere Replikationsursprünge; beim Menschen können bis zu 100.000 Replikationsursprünge im gesamten Genom vorhanden sein. Die Replikationsrate beträgt etwa 100 Nukleotide pro Sekunde und ist damit wesentlich langsamer als die prokaryontische Replikation. In der Hefe, einem Eukaryonten, befinden sich auf den Chromosomen spezielle Sequenzen, die als autonom replizierende Sequenzen (ARS) bezeichnet werden. Diese entsprechen dem Replikationsursprung in E. coli.
Die Zahl der DNA-Polymerasen in Eukaryoten ist viel größer als in Prokaryoten: Es sind 14 bekannt, von denen fünf eine wichtige Rolle bei der Replikation spielen und gut erforscht sind. Sie sind als pol α, pol β, pol γ, pol δ und pol ε bekannt.
Die wesentlichen Schritte der Replikation sind die gleichen wie bei Prokaryonten. Bevor die Replikation beginnen kann, muss die DNA als Vorlage zur Verfügung gestellt werden. Bei Eukaryonten ist die DNA an basische Proteine, die so genannten Histone, gebunden und bildet Strukturen, die Nukleosomen genannt werden. Die Histone müssen während des Replikationsprozesses entfernt und wieder ersetzt werden, was die niedrigere Replikationsrate bei Eukaryonten erklärt. Das Chromatin (der Komplex zwischen DNA und Proteinen) kann chemisch verändert werden, so dass die DNA von den Proteinen abgleiten kann oder für die Enzyme der DNA-Replikationsmaschinerie zugänglich ist. Am Ursprung der Replikation wird mit anderen Initiatorproteinen ein Prä-Replikationskomplex gebildet. Die Helicase und andere Proteine werden dann rekrutiert, um den Replikationsprozess zu starten ((Abbildung)).
| Unterschied zwischen prokaryotischer und eukaryotischer Replikation | ||
|---|---|---|
| Eigenschaft | Prokaryoten | Eukaryoten |
| Ursprung der Replikation | Einfach | Mehrfach |
| Rate der Replikation | 1000 Nukleotide/s | 50 bis 100 Nukleotide/s |
| DNA-Polymerase-Typen | 5 | 14 |
| Telomerase | nicht vorhanden | Vorhanden |
| RNA-Primer-Entfernung | DNA pol I | RNase H |
| Strangverlängerung | DNA pol III | Pol α, pol δ, pol ε |
| Gleitklemme | Gleitklemme | PCNA |
Eine Helikase, die die Energie der ATP-Hydrolyse nutzt, öffnet die DNA-Helix. An jedem Replikationsursprung werden Replikationsgabeln gebildet, während sich die DNA abwickelt. Die Öffnung der Doppelhelix führt zu einer Überwicklung (Supercoiling) der DNA vor der Replikationsgabel. Diese werden durch die Wirkung von Topoisomerasen aufgelöst. Primer werden durch das Enzym Primase gebildet, und mit Hilfe des Primers kann DNA pol die Synthese beginnen. Dann sind drei große DNA-Polymerasen beteiligt: α, δ und ε. DNA pol α fügt ein kurzes (20 bis 30 Nukleotide) DNA-Fragment an den RNA-Primer auf beiden Strängen an und übergibt dann an eine zweite Polymerase. Während der vordere Strang kontinuierlich durch das Enzym pol δ synthetisiert wird, erfolgt die Synthese des hinteren Strangs durch pol ε. Ein als PCNA (proliferating cell nuclear antigen) bekanntes Gleitklemmenprotein hält das DNA pol an seinem Platz, damit es nicht von der DNA abrutscht. Wenn pol δ auf die Primer-RNA auf dem zurückbleibenden Strang trifft, verdrängt es diese von der DNA-Vorlage. Die verdrängte Primer-RNA wird dann durch RNase H (auch bekannt als Flap-Endonuklease) entfernt und durch DNA-Nukleotide ersetzt. Die Okazaki-Fragmente im nacheilenden Strang werden nach dem Ersatz der RNA-Primer durch DNA zusammengefügt. Die verbleibenden Lücken werden durch die DNA-Ligase verschlossen, die die Phosphodiesterbindung bildet.
Telomervermehrung
Im Gegensatz zu prokaryotischen Chromosomen sind eukaryotische Chromosomen linear. Wie Sie gelernt haben, kann das Enzym DNA pol Nukleotide nur in der Richtung 5′ zu 3′ hinzufügen. Im vorderen Strang wird die Synthese fortgesetzt, bis das Ende des Chromosoms erreicht ist. Auf dem nacheilenden Strang wird die DNA in kurzen Abschnitten synthetisiert, von denen jeder durch einen separaten Primer eingeleitet wird. Wenn die Replikationsgabel das Ende des linearen Chromosoms erreicht, gibt es keine Möglichkeit, den Primer am 5′-Ende des nacheilenden Strangs zu ersetzen. Die DNA an den Enden des Chromosoms bleibt also ungepaart, und im Laufe der Zeit können diese Enden, die so genannten Telomere, immer kürzer werden, wenn sich die Zellen weiter teilen.
Telomere bestehen aus sich wiederholenden Sequenzen, die für kein bestimmtes Gen codieren. Beim Menschen wird eine sechs Basenpaare lange Sequenz, TTAGGG, 100 bis 1000 Mal in den Telomerregionen wiederholt. In gewisser Weise schützen diese Telomere die Gene davor, bei der weiteren Teilung der Zellen gelöscht zu werden. Die Telomere werden von einem separaten Enzym, der Telomerase ((Abbildung)), an die Enden der Chromosomen angefügt, dessen Entdeckung zum Verständnis der Aufrechterhaltung dieser sich wiederholenden Chromosomenenden beitrug. Das Telomerase-Enzym enthält einen katalytischen Teil und eine eingebaute RNA-Vorlage. Es heftet sich an das Ende des Chromosoms, und am 3′-Ende des DNA-Strangs werden zur RNA-Vorlage komplementäre DNA-Nukleotide angefügt. Sobald das 3′-Ende der schleppenden Strangvorlage ausreichend verlängert ist, kann die DNA-Polymerase die zu den Enden der Chromosomen komplementären Nukleotide hinzufügen. So werden die Enden der Chromosomen repliziert.
Abbildung 1. Die Enden der linearen Chromosomen werden durch die Wirkung des Enzyms Telomerase aufrechterhalten.
Telomerase ist typischerweise in Keimzellen und adulten Stammzellen aktiv. In erwachsenen somatischen Zellen ist sie nicht aktiv. Für ihre Entdeckung der Telomerase und ihrer Wirkung erhielten Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider und Jack W. Szostak ((Abbildung)) im Jahr 2009 den Nobelpreis für Medizin und Physiologie.
Abbildung 2. Elizabeth Blackburn, Nobelpreisträgerin 2009, ist eine der Wissenschaftlerinnen, die die Funktionsweise der Telomerase entdeckt haben. (credit: US Embassy Sweden)
Telomerase und Alterung
Zellen, die eine Zellteilung durchlaufen, haben weiterhin verkürzte Telomere, da die meisten somatischen Zellen keine Telomerase bilden. Das bedeutet, dass die Verkürzung der Telomere mit dem Alterungsprozess verbunden ist. Mit dem Aufkommen der modernen Medizin, der präventiven Gesundheitsfürsorge und einer gesünderen Lebensweise hat sich die Lebensspanne der Menschen verlängert, und es besteht ein zunehmender Bedarf an einem jüngeren Aussehen und einer besseren Lebensqualität, wenn sie älter werden.
Im Jahr 2010 fanden Wissenschaftler heraus, dass Telomerase einige altersbedingte Erkrankungen bei Mäusen rückgängig machen kann. Dies könnte ein Potenzial für die regenerative Medizin haben. Für diese Studien wurden Telomerase-defiziente Mäuse verwendet, die an Gewebeatrophie, Stammzelldepletion, Versagen von Organsystemen und beeinträchtigter Reaktion auf Gewebeverletzungen leiden. Die Reaktivierung der Telomerase bei diesen Mäusen führte zu einer Verlängerung der Telomere, verringerte die DNA-Schäden, kehrte die Neurodegeneration um und verbesserte die Funktion der Hoden, der Milz und der Därme. Somit könnte die Reaktivierung von Telomeren das Potenzial haben, altersbedingte Krankheiten beim Menschen zu behandeln.
Krebs ist durch unkontrollierte Zellteilung abnormaler Zellen gekennzeichnet. Die Zellen häufen Mutationen an, vermehren sich unkontrolliert und können durch einen Prozess, der als Metastasierung bezeichnet wird, in verschiedene Teile des Körpers wandern. Wissenschaftler haben beobachtet, dass Krebszellen erheblich verkürzte Telomere haben und dass die Telomerase in diesen Zellen aktiv ist. Interessanterweise wurde die Telomerase erst aktiv, nachdem die Telomere in den Krebszellen verkürzt worden waren. Wenn die Wirkung der Telomerase in diesen Zellen durch Medikamente während der Krebstherapie gehemmt werden kann, dann könnten die Krebszellen möglicherweise an der weiteren Teilung gehindert werden.
Zusammenfassung
Die Replikation in Eukaryoten beginnt an mehreren Replikationsursprüngen. Der Mechanismus ist dem der Prokaryonten sehr ähnlich. Zur Einleitung der Synthese ist ein Primer erforderlich, der dann von der DNA-Polymerase verlängert wird, indem sie ein Nukleotid nach dem anderen an die wachsende Kette anhängt. Der Vorlaufstrang wird kontinuierlich synthetisiert, während der Nachlaufstrang in kurzen Abschnitten, den so genannten Okazaki-Fragmenten, synthetisiert wird. Die RNA-Primer werden durch DNA-Nukleotide ersetzt; die DNA-Okazaki-Fragmente werden durch DNA-Ligase zu einem kontinuierlichen Strang verbunden. Die Enden der Chromosomen stellen ein Problem dar, da die Primer-RNA an den 5′-Enden der DNA nicht durch DNA ersetzt werden kann und sich das Chromosom immer weiter verkürzt. Telomerase, ein Enzym mit einer eingebauten RNA-Vorlage, verlängert die Enden, indem es die RNA-Vorlage kopiert und einen Strang des Chromosoms verlängert. Die DNA-Polymerase kann dann den komplementären DNA-Strang mit Hilfe der regulären Replikationsenzyme auffüllen. Auf diese Weise werden die Enden der Chromosomen geschützt.
Wiederholungsfragen
Die Enden der linearen Chromosomen werden durch
- Helicase
- Primase
- DNA pol
- Telomerase
erhalten.
Welche der folgenden Aussagen zum Vergleich von prokaryotischer und eukaryotischer DNA-Replikation ist nicht richtig?
- Sowohl eukaryotische als auch prokaryotische DNA-Polymerasen bauen auf RNA-Primern auf, die von Primase hergestellt werden.
- Die eukaryotische DNA-Replikation erfordert mehrere Replikationsgabeln, während die prokaryotische Replikation einen einzigen Ursprung verwendet, um das gesamte Genom schnell zu replizieren.
- Die DNA-Replikation findet immer im Zellkern statt.
- An der eukaryotischen DNA-Replikation sind mehr Polymerasen beteiligt als an der prokaryotischen Replikation.
Free Response
Wie stellen die linearen Chromosomen in Eukaryoten sicher, dass ihre Enden vollständig repliziert werden?
Glossar
Telomerase
Ein Enzym, das einen katalytischen Teil und eine eingebaute RNA-Vorlage enthält; Es dient der Erhaltung der Telomere an den Chromosomenenden
Telomere
DNA am Ende von linearen Chromosomen
- -Jaskelioff et al., „Telomerase-Reaktivierung kehrt Gewebedegeneration in gealterten Telomerase-defizienten Mäusen um“, Nature 469 (2011): 102-7. ↵
