Die DNA-Replikation ist der Prozess, bei dem eine Zelle ihr Genom vor der Zellteilung dupliziert, um sicherzustellen, dass jede Tochterzelle eine identische Kopie des genetischen Materials erhält. Der Prozess ist semikonservativ, das heißt, jedes neue DNA-Molekül besteht aus einem ursprünglichen Strang und einem neu synthetisierten Strang. Dieses Prinzip ist auch die Grundlage für die PCR, eine Technik zur Amplifikation spezifischer DNA-Sequenzen.

Replikationsursprünge

Die Replikation beginnt an spezifischen Sequenzen, die Replikationsursprünge genannt werden. In E. coli wird der einzelne Ursprung oriC genannt, eine 245-Basenpaare umfassende Region, die DnaA-Box-Sequenzen und AT-reiche Wiederholungen enthält. Das Initiatorprotein DnaA bindet an diese Sequenzen und verursacht ein lokales Schmelzen der AT-reichen Region. Eukaryotische Chromosomen enthalten mehrere Replikationsursprünge im Abstand von etwa 30 bis 100 Kilobasen. Das Lizenzierungssystem stellt sicher, dass jeder Ursprung nur einmal pro Zellzyklus aktiviert wird, indem es den Mcm-Helikase-Komplex während der G1-Phase lädt.

Die Replikationsgabel

Sobald die DNA geöffnet ist, assembliert die Replikationsmaschinerie an der Replikationsgabel. Die DNA-Helikase entwindet die Doppelhelix, mit DnaB in Bakterien und dem CMG-Komplex mit Mcm2-7 in Eukaryoten. Einzelstrangbindende Proteine bedecken die freigelegten Stränge, verhindern eine erneute Anlagerung und schützen sie vor Nukleasen. Die Topoisomerase baut die Torsionsspannung ab, die durch die Entwindung vor der Gabel entsteht.

DNA-Polymerasen

DNA-Polymerasen katalysieren die Addition von Nukleotiden an das 3’-Ende eines wachsenden DNA-Strangs und benötigen eine Matrize und einen Primer mit einer freien 3’-Hydroxylgruppe. Sie synthetisieren immer in 5’-3’-Richtung und können die Synthese nicht de novo beginnen. E. coli hat fünf DNA-Polymerasen, wobei Pol III das wichtigste replikative Enzym ist. Eukaryoten haben mindestens 15, wobei Pol delta und Pol epsilon für die Synthese des diskontinuierlichen bzw. kontinuierlichen Strangs verantwortlich sind.

Synthese des kontinuierlichen und diskontinuierlichen Strangs

Da DNA-Polymerasen nur in 5’-3’-Richtung synthetisieren können, werden die beiden Stränge unterschiedlich repliziert. Der kontinuierliche Strang wird durchgehend in derselben Richtung wie die Gabelbewegung synthetisiert und benötigt nur einen Primer. Der diskontinuierliche Strang wird diskontinuierlich in kurzen Fragmenten synthetisiert, die Okazaki-Fragmente genannt werden, wobei jedes einen neuen Primer benötigt. In Eukaryoten sind Okazaki-Fragmente etwa 100 bis 200 Nukleotide lang. Die Primase, eine spezialisierte RNA-Polymerase, synthetisiert kurze RNA-Primer von etwa 10 Nukleotiden.

Primerentfernung und Ligation

Die RNA-Primer auf dem diskontinuierlichen Strang müssen entfernt und durch DNA ersetzt werden. In Bakterien entfernt die DNA-Polymerase I den RNA-Primer durch ihre 5’-3’-Exonukleaseaktivität und füllt die Lücke. In Eukaryoten entfernt RNase H den größten Teil des Primers, und die FEN1-Nuklease entfernt das letzte Ribonukleotid. Die DNA-Ligase verschließt die Lücke zwischen benachbarten Fragmenten, wobei sie in Bakterien NAD+ oder in Eukaryoten und Archaeen ATP verbraucht. Restriktionsenzymverdau erzeugt kompatible Fragmente, die durch DNA-Ligase in der Molekularklonierung verbunden werden können.

Replikationstreue

Die DNA-Replikation erreicht eine bemerkenswerte Genauigkeit mit Fehlerraten von etwa einem Fehler pro 10^10 Nukleotiden. Diese Treue resultiert aus drei Mechanismen. Erstens haben DNA-Polymerasen eine hohe geometrische Selektivität und diskriminieren gegen falsche Basenpaarung während des Einbaus. Zweitens überprüft die 3’-5’-Exonukleaseaktivität replikativer Polymerasen neu hinzugefügte Basen und entfernt Fehlpaarungen sofort. Drittens korrigiert die Postreplikations-Mismatch-Reparatur Fehler, die der Korrekturleseaktivität entgangen sind. Defekte in der Mismatch-Reparatur verursachen Mikrosatelliteninstabilität und prädisponieren für das hereditäre nicht-polypöse kolorektale Karzinom.

Telomer-Replikation

Die Enden linearer eukaryotischer Chromosomen stellen ein spezielles Problem dar, da die DNA-Polymerase das äußerste Ende des diskontinuierlichen Strangs nicht replizieren kann. Telomere, repetitive DNA-Sequenzen an den Chromosomenenden, werden durch Telomerase verlängert, eine spezialisierte reverse Transkriptase, die ihre eigene RNA-Matrize trägt. Die Telomerase fügt beim Menschen TTAGGG-Wiederholungen hinzu und verhindert so eine fortschreitende Verkürzung. Die Telomerase ist in Keimzellen, Stammzellen und den meisten Krebszellen aktiv, während somatische Zellen keine Telomerase besitzen und mit jeder Teilung eine Telomerverkürzung erfahren, was zur zellulären Seneszenz beiträgt.