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13.6: Replikation in Eukaryoten
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PROTOKOLLE

13.6: Replikation in Eukaryoten

Überblick

In eukaryontischen Zellen läuft die DNA-Replikation hoch konserviert und streng reguliert ab. Mehrere lineare Chromosomen müssen vor der Zellteilung mit hoher Genauigkeit vervielfältigt werden. Daher gibt es viele Proteine, die spezielle Rollen im Replikationsprozess ausfüllen. Die Replikation erfolgt in drei Phasen: Initiation, Elongation und Termination. Sie resultiert in zwei und vollständigen Chromosomensätzen im Zellkern.

Viele Proteine koordinieren die Replikation am Ursprung

Die eukaryontische Replikation folgt vielen der gleichen Prinzipien wie die prokaryontische DNA-Replikation. Da das Genom jedoch viel größer ist und die Chromosomen eher linear als zirkulär sind, benötigt der Prozess mehr Proteine und weist einige wesentliche Unterschiede auf. Die Replikation erfolgt gleichzeitig an mehreren Replikationsursprüngen entlang jedes Chromosoms. Initiatorproteine erkennen und binden an den Ursprung und aktivieren Helikase, um die DNA-Doppelhelix abzuwickeln. An jedem Entstehungsort bilden sich zwei Replikationsgabeln. Primase fügt dann kurze RNA-Primer an die einzelnen DNA-Stränge an, die als Ausgangspunkt für die DNA-Polymerase dienen, um zu binden und mit dem Kopieren der Sequenz zu beginnen. Die DNA kann nur in der 5 bis 3 Richtung synthetisiert werden, so dass die Replikation beider Stränge von einer einzigen Replikationsgabel aus in zwei verschiedene Richtungen verläuft. Der führende Strang wird kontinuierlich synthetisiert, während der nachlaufende Strang in kurzen Abschnitten von 100-200 Basenpaaren, den sogenannten Okazaki-Fragmenten, synthetisiert wird. Sobald der Großteil der Replikation abgeschlossen ist, entfernen RNase-Enzyme die RNA-Primer und die DNA-Ligase verbindet sich mit den Lücken im neuen Strang.

Verteilung der Replikationsarbeit unter den Polymerasen

Die Arbeitsbelastung beim Kopieren von DNA in Eukaryonten wird auf mehrere verschiedene Arten von DNA-Polymerase-Enzymen verteilt. Die wichtigsten Familien von DNA-Polymerasen in allen Organismen werden nach der Ähnlichkeit ihrer Proteinstrukturen und Aminosäuresequenzen kategorisiert. Die ersten Familien, die entdeckt wurden, werden als A, B, C und X bezeichnet, die Familien Y und D wurden später identifiziert. Zu den Polymerasen der Familie B in Eukaryonten gehören Pol α, die auch als Primase an der Replikationsgabel fungiert, und Pol δ und ε die Enzyme, die die meiste Arbeit der DNA-Replikation auf dem führenden bzw. dem nacheilenden Strang des Templates verrichten. Andere DNA-Polymerasen sind für Aufgaben wie die Reparatur von DNA-Schäden, das Kopieren von mitochondrialer und plastidischer DNA und das Auffüllen von Lücken in der DNA-Sequenz auf dem nachlaufenden Strang nach Entfernung der RNA-Primer verantwortlich.

Telomere schützen die Enden der Chromosomen vor dem Abbau

Da die Eukaryontischen Chromosomen linear sind, sind sie an den Enden für Degradation anfällig. Um wichtige genetische Informationen vor Schäden zu schützen, enthalten die Enden der Chromosomen viele nicht-kodierende Wiederholungen von hochkonservierter G-reicher DNA: die Telomere. Ein kurzer einzelsträngiger 3 Überhang an jedem Ende des Chromosoms interagiert mit spezialisierten Proteinen, die das Chromosom im Kern stabilisieren. Aufgrund der Art und Weise, wie der Nachlaufstrang synthetisiert wird, kann eine kleine Menge der DNA der Telomere nicht bei jeder Zellteilung repliziert werden. Dadurch verkürzen sich die Telomere im Laufe vieler Zellzyklen allmählich und können als Marker der Zellalterung gemessen werden. Bestimmte Zellpopulationen, wie Keimzellen und Stammzellen, exprimieren Telomerase, ein Enzym, das die Telomere verlängert, so dass die Zelle mehr Zellzyklen durchlaufen kann, bevor sich die Telomere verkürzen.


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