Replikation

Replikation

Kopieren: Cool für die DNA, cool für uns

Als einige von Shmoops Klassenkameraden noch zur Schule gingen, wurden sie von ihren Lehrern immer beim Kopieren erwischt. Aber die Klassenkameraden sagten ihren Lehrern, dass es in ihrer DNA stecke, zu kopieren. Gegen diese Logik konnte sie nichts einwenden, und so bekamen sie nie Ärger. Was für eine nette kleine Geschichte.

Welche Parallele wollen wir mit dieser nicht ganz so subtilen und kitschigen Geschichte ziehen? Die DNA kopiert ständig, und das muss sie auch, wenn sie weiterhin all diese Zellen bilden will. Und, oh, wie sie das tut! Die DNA-Replikation ist das Kopieren von DNA, damit die sich replizierenden Zellen genügend DNA für die Tochterzellen oder die neuen Zellen haben, die aus der ursprünglichen Zelle hervorgehen. Die Zellteilung, d.h. die Umwandlung einer Zelle in zwei neue Zellen, erfolgt bei nicht-sexuellen Zellen durch Mitose, d.h. bei Zellen, die nicht an… Sex beteiligt sind, und bei sexuellen Zellen durch Meiose, d.h. bei Zellen, die sich schneller schmutzig machen als Vinny und Pauly D in einer guten Nacht im Karma.

Es ist nur eine Phase: Mitose oder Meiose

Auch wenn es Zellen in allen Formen und Größen gibt, wie in einer Benetton-Werbung, gibt es im Grunde zwei Arten von Zellen:

1. Geschlechtszellen (nein, nicht die Dinger in Amsterdam)
2. Somatische Zellen (Nicht-Geschlechtszellen, die auch nicht die Dinger in Amsterdam sind)

Geschlechtszellen sind die Zellen, die Nachkommen von Eukaryoten hervorbringen, die sich geschlechtlich fortpflanzen, und sie werden wie folgt unterteilt:

1. Samenzellen, die die männliche Hälfte der DNA enthalten
2. Eizellen, die die weibliche Hälfte der DNA enthalten

Es gibt vier Hauptstadien im Lebenszyklus der meisten eukaryotischen Zellen (mit Ausnahme der Geschlechtszellen).

Diese heißen

• Gap 1 (oder G1) Phase
• Synthese (oder „S“) Phase
• Gap 2 (G2) Phase
• Mitose

Und, nein, The Gap sponsert keine Mitose. Die G1-, S- und G2-Phasen werden normalerweise „Interphase“ genannt, vor allem von Leuten, die sich mit Mitose beschäftigen.

G1

G1 ist die Phase des eukaryotischen Lebenszyklus nach der Mitose und vor der DNA-Synthese, der S-Phase. Während der Mitose wurden die meisten Aktivitäten, die nicht zur Mitose gehören, heruntergefahren, und G1 ist der Zeitraum, in dem alles wieder anfängt. G1 ist wie ein verrückter Schlafloser, der die Zelle aufweckt, indem er sagt: „Hey, ich habe die ganze Nacht Coupons ausgeschnitten, Zeit aufzuwachen und mit mir zu spielen!“

S-Phase

Die S-Phase ist die DNA-Replikationsphase des Lebenszyklus. Wir werden später mehr darüber sprechen, aber wenn du es nicht abwarten kannst, klicke weiter. In dieser Phase verdoppelt die Zelle die DNA-Menge, um genügend DNA für die Tochterzellen zu produzieren, und die Zelle geht von 2n auf 4n über, wobei n die Anzahl der Chromosomensätze oder die Ploidie ist. Die meisten somatischen Zellen sind 2n oder diploid, während Geschlechtszellen haploid sind, d.h. sie haben nur halb so viel DNA wie somatische Zellen (normale Zellen).

G2 Phase

G2 ist die Jan Brady Phase des Zellzyklus. Alle reden immer von „Mitose, Mitose, Mitose!“ und niemand kümmert sich um die arme G2. Es ist die Phase des Zellzyklus, in der mehr Proteinsynthese stattfindet und Mikrotubuli gebildet werden, die für die Mitose wichtig sind. „Das war’s?“ Du fragst? Ja, genau. Das ist nicht wirklich wichtig, weshalb viele Zellen diesen Schritt auslassen. Froschzellen überspringen ihn, ebenso wie viele Krebszellen. Armes G2…

Mitose

Mitose ist die Phase im Zellzyklus, die so wichtig ist, dass sie einen eigenen Zyklus hat. Die Mitose beginnt nach G2 und startet mit der Prophase, also der Kondensation des Chromatins zu Chromosomen und Zentrosomen, die sich zu den gegenüberliegenden Polen der Zelle bewegen. Auf diesen Schritt folgt die Prometaphase, ein Zwischenstadium zwischen Prophase und Metaphase, in dem die Kernhülle aufbricht und die Chromosomen beginnen, sich auf den Mikrotubuli, die die Zentrosomen verbinden, zusammenzufügen. In der Metaphase richten sich alle Chromosomen in der Mitte aus, worauf die Anaphase folgt, in der sich die Chromosomen in zwei Hälften teilen und die Tochterchromatiden zum nächstgelegenen Zentrosomenpol wandern. Telophase und Zytokinese sind die letzten Schritte der Zellteilung bzw. des Zusammenbaus des Zellkerns in zwei Tochterzellen.

Meiose

Meiose ist die M-Phase für Geschlechtszellen. Sie beginnt wie die Mitose und setzt nach der Produktion der ersten beiden Tochterzellen einen zweiten Mitosezyklus fort. Die 2n Tochterzellen teilen sich weiter und es entstehen 4 Tochterzellen und eine Menge überteuerter Hochzeiten, jede mit n Chromosomen.

Am Anfang…Die Ursprünge der DNA-Replikation

Wenn sich die DNA nie replizieren würde, würden Meiose und Mitose die Größe des Genoms langsam halbieren, bis jede Zelle sterben würde, was wahrscheinlich nicht lange dauern würde. Deshalb ist es wichtig, dass sich die DNA selbst verdoppelt, damit sich die Zellen während der Mitose/Meiose teilen können. Die DNA-Replikation ist ähnlich wie die RNA-Transkription.

Unten ist eine Tabelle, die beide vergleicht:

	DNA Replikation	RNA Transkription
Produkt	Doppel-strangige DNA	mRNA
Enzym	DNA-Polymerase	RNA-Polymerase
Nukleotide Hinzugefügt	Deoxynukleotidtriphosphate	Nukleotidtriphosphate
Vorlagestrang	Beide	Beide, aber transkribiert nur vom Antisense-Strang

Wie nennt man die Stellen, an denen die Replikation beginnt? Origins. Wir wünschten, sie hätten es Star Wars Episode I: The Phantom Menace genannt, aber dieser Name war bereits vergeben.

Origins unterscheiden sich je nach Art der DNA. Die meisten eukaryontischen Zellen und einige Bakterien und Viren haben lineare DNA, das heißt, die DNA-Sequenz hat einen Anfang und ein Ende. Daher befinden sich die Ursprünge der Replikation am 5′-Ende der linearen DNA. Die meisten Bakterien und einige Viren haben zirkuläre DNA, was bedeutet, dass es eine spezifische Sequenz gibt, an die sich DNA-Replikationsproteine binden (was in gewisser Weise der RNA-Transkription entspricht), und die Replikation beginnt an dieser Stelle.

Die DNA-Replikation beginnt mit der Bindung eines Initiatorproteins, wie dnaA in E. coli-Bakterien, oder eines Proteinkomplexes, wie dem Ursprungserkennungskomplex in Hefe. Die Aufgabe der Initiatoren besteht darin, die beiden DNA-Stränge auseinander zu reißen, damit die Replikation beginnen kann. Diese Situation ist vergleichbar mit einem Wagenheber, der Ihr Auto anhebt, wenn Sie einen Reifen wechseln. (Wenn Sie nicht wissen, wie man einen Reifen wechselt, rufen Sie einen Abschleppdienst an und fragen Sie ihn, wie das geht. Nachdem sie es dir erklärt haben, schreie: „Das ist genau wie bei der DNA-Replikation!“, legen Sie den Hörer auf und beten Sie, dass Sie nie wieder einen Reifen wechseln müssen.

Nachdem die DNA aufgespalten wurde, kommen RNA-Primer hinein, einer bindet an jeden DNA-Strang, und dann geht die DNA-Replikation in der Richtung 5′ zu 3′ weiter. Es ist wichtig zu wissen, dass zwei 5′-zu-3′-Replikationen gleichzeitig stattfinden. Diese beiden Replikationen werden jeweils als Replikationsgabel bezeichnet. Nicht zu verwechseln mit dem Duplikationslöffel.

Passieren Sie die Replikationsgabel

Wenn Sie DNA spalten, haben wir einen Strang, der von 5′ nach 3′ verläuft, wenn wir von links nach rechts schauen, den wir den „nacheilenden“ Strang nennen, und einen komplementären Strang, der von 3′ nach 5′ verläuft, wenn wir von links nach rechts schauen, den wir den „führenden“ Strang nennen. Wenn wir also RNA-Primer hinzufügen, bindet ein Primer an den führenden Strang und der andere Primer an den nacheilenden Strang. Der Primer, der an den führenden Strang bindet, ist identisch mit der Sequenz des nacheilenden Strangs, während der Primer, der an den nacheilenden Strang bindet, identisch mit der Sequenz des führenden Strangs ist. Wir hoffen, Ihr Kopf ist noch nicht explodiert.

Stellen Sie sich die DNA-Replikation wie Ihre linke und rechte Hand vor. Sie sind im Wesentlichen gleich, haben aber subtile Unterschiede. Deine linke Hand hat den Daumen als fünften Finger, wenn du von links nach rechts zählst, während deine rechte Hand den Daumen als ersten Finger hat. Siehst du? Tut mir leid, wenn wir Sie jetzt verwirrt haben. Wie deine Hände replizieren sich also beide DNA-Stränge auf die gleiche Weise, aber es gibt einen kleinen Unterschied. Die DNA-Replikation funktioniert nur in 5′- zu 3′-Richtung, also binden zwei DNA-Polymerase-Moleküle die RNA-Primer und beginnen mit der Replikation in entgegengesetzter Richtung. Die Replikation des führenden Strangs treibt den Replikationsprozess an, weil der RNA-Primer die Replikation des 5′-3′-Strangs antreibt.

„Aber Shmoop, wie repliziert man den ’nacheilenden‘ Strang?“, könntest du fragen.

Wie der Name schon sagt, wird die DNA-Replikation des vorderen Strangs für einige Zeit fortgesetzt, bis sich ein neuer RNA-Primer einfügt, und eine zweite DNA-Polymerase beginnt mit diesem zweiten nacheilenden RNA-Primer und repliziert die DNA, bis sie auf den ersten RNA-Primer oder den vorherigen Abschnitt der doppelsträngigen DNA trifft. Dort fällt die DNA-Polymerase ab, und die DNA-Ligase fügt diese DNA-Fragmente zusammen. Dieser Prozess setzt sich gleichzeitig mit der Synthese des vorderen Strangs fort, so dass sich viele kleine replizierende doppelsträngige DNA-Fragmente auf dem hinteren Strang befinden. Diese werden Okazaki-Fragmente genannt, nach dem Ehepaar Reiji und Tsuneko Okazaki, das sie entdeckt hat.

Sind wir schon fertig?

Die DNA-Replikation endet in Bakterien und Viren mit zirkulären Genomen, wenn die beiden Replikationsgabeln auf der dem Replikationsursprung gegenüberliegenden Seite des Chromosoms aufeinandertreffen, und zwar in einem großartigen Spiel mit dem Huhn. Das mutige Replikations-Terminatorprotein greift ein und hält die DNA-Replikation an, damit die beiden Gabeln nicht ineinander krachen. Der Mechanismus der Terminierung führt jedoch dazu, dass zwei ineinander verschränkte zirkuläre Chromosomen wie magische Ringe aneinander kleben. Topoisomerase-Enzyme wie die DNA-Gyrase und die Topoisomerase IV, die für das Einkerben der DNA verantwortlich sind, schneiden vorübergehend ein Chromosom durch, damit das andere passieren kann. Und schon sind die Zaubertricks für alle ruiniert.

Animation der linearen Chromosomenverkürzung

Lineare Chromosomen haben eine andere Reihe von Problemen, denn bei diesen Typen erreichen wir nie eine vollständige Replikation des gesamten Chromosoms. Mit jedem Replikationsschritt verkürzt sich die DNA ein wenig mehr. Bakterien und Viren mit linearen Chromosomen umgehen dieses Problem, indem sie entweder

• die Replikation in der Mitte des Chromosoms einleiten oder

• die Replikation mit einem Protein anstelle einer RNA-Primersequenz vorantreiben.

Eukaryoten sind jedoch zu beidem nicht in der Lage und haben Terminatorsequenzen entwickelt, die Telomere genannt werden und das Problem der DNA-Verkürzung umgehen.

Die Enden der linearen eukaryotischen DNA werden Telomere genannt, und obwohl sie regelmäßig bei jedem Replikationszyklus verkürzt werden, lösen Enzyme, die Telomerasen genannt werden, das Problem der DNA-Verkürzung. Telomere sind hochgradig repetitiv, und Telomerasen fügen kurze Sequenzen hinzu, um das Ende der DNA zu verlängern, damit sie nicht zu kurz werden und damit wichtige Teile der DNA-Sequenz nicht verloren gehen. Telomerasen sind reverse Transkriptasen oder Enzyme (zu erkennen an der -ase), die RNA in DNA umwandeln. Mehr dazu finden Sie im Abschnitt „Spiderman und andere Beispiele für rekombinante DNA“.

Telomerasen nehmen eine kurze RNA-Sequenz, wandeln sie in eine doppelsträngige DNA-Sequenz um und hängen sie an das Ende der DNA an. Es gibt eine Mindestlänge, die Telomere einhalten müssen, und wenn die DNA-Sequenz kürzer ist als diese Mindestlänge, die so genannte Hayflick-Grenze, stirbt die Zelle. Telomerasen sorgen dafür, dass sich die Zelle unbegrenzt weiter replizieren und teilen kann. Und eine Überaktivität der Telomerasen wird häufig mit Krebs in Verbindung gebracht, da die Zellen unsterblich werden, wie The Highlander.

Whoops, Mistakes Were Made: Korrekturlesen und Reparatur

Du denkst wahrscheinlich: „Die DNA-Polymerase hält sich für so toll, weil sie die gesamte DNA in meinem Körper repliziert, damit ich überleben und weiterhin Mitose und Meiose durchlaufen kann.“ OK, wir sind sicher, dass die meisten von euch das nicht denken, aber lasst uns mit der Handvoll Leute spielen, die das denken.

In Wirklichkeit ist die DNA-Polymerase nicht so toll! Sie macht Fehler wie du oder Shmoop – obwohl unsere Fehler meistens das Produkt von zu vielen 5-Stunden-Energydrinks gemischt mit frittierten Twinkies sind. Allerdings muss die DNA-Polymerase diese Fehler beheben, während wir bei Shmoop in ein zuckerinduziertes Koma fallen.

Manchmal wird in der Eile der DNA-Replikation eine falsche Base, die nicht richtig mit dem Vorlagenstrang paart, zur Sequenz hinzugefügt. So entstehen seltsame G-T- oder A-G-Basenpaare. Wir erinnern uns alle daran, dass normale Paare G-C und A-T sind (Was ist das?). Diese falschen Paare sind nicht gut für uns, denn sie bedeuten, dass unsere Gene mutiert sind, und wir werden zu Mutanten. Nur wenige Mutationen führen zu so fantastischen Dingen wie Teleportation oder Lasersicht … oder irgendetwas aus X-Men. Shucks.

Große Eukaryoten wie wir, die sich langsam replizieren und lange leben, wollen nicht, dass viele Mutationen auftreten. Warum eigentlich? Jede Mutation, die unser Wachstum beeinträchtigt, ist normalerweise … nicht gut … und schadet uns. Trauriges Gesicht.

Allerdings haben kleinere Organismen wie Bakterien, Viren und sogar Fliegen kurze Lebenszyklen in der Größenordnung von Tagen, manchmal sogar von Stunden. Sie vermehren sich wie verrückt, und jede neue Generation besteht aus 100 bis 1000 mehr Individuen als die vorherige Generation. Daher können Mutationen in ihren Fällen vorteilhafter sein. Manchmal wollen sie Pestiziden, Antibiotika oder Medikamenten entkommen, die sie behandeln oder abtöten sollen. Bakterien und Viren mutieren und vermehren sich ständig. Und wie wir bereits festgestellt haben, gibt es nur wenig Fehlerkontrolle in ihren Polymerasen.

Hirnsnack

Hier ist ein nettes Video darüber, wie die DNA-Replikation tatsächlich funktioniert.

Kannst du die DNA-Polymerasen erkennen? Das sind die bunten Kugeln, eine für den vorderen Strang und eine für den hinteren Strang. Die Polymerasen des hinteren Strangs sind diejenigen, die hinzukommen und wieder abfallen, wenn der Doppelstrang fertiggestellt ist.