Das Replicon

Einer Zellteilung muss immer eine Verdoppelung der DNA, die Replikation, vorausgehen. Die DNA-Einheit, an der ein Replikationsvorgang abläuft wird als Replicon bezeichnet. Das Replicon besitzt einen Replikationsursprung oder origin und einen Terminus, der die die Replikation beendet.

Jedes DNA-Molekül, das ein origin enthält kann autonom repliziert werden. Wenn die Replikation erst einmal begonnen hat, wird sie erst beendet, wenn das gesamte Genom verdoppelt ist. Während dieses Prozesses darf keines der Replikons mehrfach repliziert werden.

Die Replikation beginnt immer mit der Bildung einer Replikationsgabel am origin. Wenn sich eine Replikationsgabel bildet, verläuft die Replikation uni- ansonsten bidirektional. Die Replikation öffnet die DNA und macht unter dem EM ein Auge, eine sogenannte Theta-( $\Theta$ )-Struktur sichtbar. Ob die Replikation uni- oder bidirektional verläuft lässt sich durch zwei radioaktive Markierungen nacheinander nachweisen. Wenn beide an einem Ende des Auges auftreten ist die Replikation uni- ansonsten bidirektional.

Das bakterielle Genom ist ein einziges ringförmiges Replicon. Den Replikationsursprung der Bakterien konnte man isolieren, indem man die genomische DNA wahllos in Plasmide ohne einen origin einbrachte. Der Plasmid, in dem sich der Ursprung befand, konnte sich als einzige replizieren.

Das Genom von E. coli wird bidirektional von einem Ursprung, dem oriC aus repliziert. Durch die Ringform umgehen die Prokaryonten das Problem, die Enden der DNA zu replizieren.

Die oriC-sequenz ist zwar für die Initiation der Replikation, nicht aber für die Seggregation der DNA verantwortlich. Diese wird durch Enzyme vermittelt.

Die beiden Terminationssequen von E. coli (wegen der Bidirektionalität) befinden sich ca. 100 kbp voneinander entfernt, wobei sich die so entstehenden Bereiche überlappen. Dies hat zur Folge, dass die beiden sich normalerweise auf halber Stecke treffenden Polymerasen in dieser Region auch dann wenn die ander noch nicht angekommen ist, anhalten.

Wenn die DNA-Polymerase bei der Replikation auf eine RNA-Polymerase trifft, die in gleicher Richtung die DNA abliest, kann diese durch einen noch ungeklärten Mechanismus ,,überholt`` werden. Bewegt sie sich in anderer Richtung (was allerdings nur selten vorkommt), dann kann es zu einem Stop der Replikation kommen. Der genaue Mechanismus ist noch unbekannt.

In den Zellen der Eukaryonten findet eine Replikation nur in der S-Phase statt. Dabei gibt es auf jedem Chromosom viele Replicons. Diese sind kleiner als die der Eukaryonten und schreiten langsamer voran. Ausserdem ist der Ablauf ihrer Aktivierung kontrolliert, so dass bestimmte Bereiche des Chromosoms ,,früh replizierend`` und andere ,,spät replizieren`` sind. Sehr wahrscheinlich sind zu jedem Zeitpunkt nur etwa 15% der Replicons aktiv. Man nimmt an, dass dabei keine Terminatoren existieren, sondern die Replikation durch das Aufeinandertreffen zweier Replikationsgabels zu Stande kommt. Wie das Chromosom verhindet, das bereits replizierte DNA repliziert wird, ist unklar.

Bei Hefe konnte man mit einer Anlyse von Plasmiden eine ARS (Autonom replizierende Sequenz) eine Sequenz identifizieren, die für eine effiziente autonome Replikation von Plasmiden notwendig sind. Diese ARS-Sequenz entspricht dem Replikationsursprung und ist sehr wahrscheinlich durch eine Consensussequenz, vor allem aber durch AT-reiche Banden gekennzeichnet. Man vermutet, dass dem Replikationsstart in den höheren Eukaryonten noch wesentlich kompliziertere Mechanismen zu Grunde liegen.

Während man bei den Eukaryonten keine Replikatinsursprünge finden konnte, hat man bei deren Mitochondrien einen Replikationsursprung entdeckt. Dort schreitet die Replikation zunächst ein kleines Stück weit an einem Strang entlang und verdrängt dort den Partner. So entsteht eine D- oder Verdrängungsschleife.

Bei den Mitochondrien der Säuger wird dieser Bereich dann weiter ausgedehnt und verdrängt den anderer (L-)Strang immer mehr. Nachdem zwei Drittel des L-Strangs frei gelegt wurden, wurde dann auch dessen Ursprung freigelegt, an dem dann die Replikation eines neuen H-Strags beginnt. Das Modell wird als rolling circles bezeichnet.

Ein Problem bei der Replikation linearer DNA sind deren Enden. Da die Polymerase sich immer nur in einer Richtung bewegen kann müsste sie an einem Ende der DNA ganz aussen an derem Ende binden. Es ist unklar, ob dies möglich wäre.

Bei einigen Viren wie dem Adenovirus wird dieses Problem durch Strangverdrängung gelöst. Dabei verdrängt die Synthese des einen Strangs den anderen. Dieser bildet in der einzelstängigen Form mit seinen Enden einen doppelsträngigen Ursprung und wird auf diese Art und Weise repliziert. Bei diesen Mechanismus wird ein sogenanntes terminales Protein verwendet. Dieses bindet an das Ende der DNA, das ein Nukleotid als Primer gebunden hat und die Bindung der Polymerase vermittelt.

Bei einem anderen Mechanismus, dem rollenden Ring wird nur einer der beiden Stränge repliziert. Nachdem ein Einzelstrangbruch den Ring öffnet, wird das dadurch entstehendes freie 3'-Ende von der Polymerase verlängert. Mit dieser Verlängerung fährt sie fort, so dass ein multimerer Einzelstrang entsteht. Dieser Mechanismus findet z.B. bei der Amplifikation der rRNA von Xenopus eine Rolle, vor allem aber findet man ihn bei Bakteriophagen.

Bei Bakterien wird bei der Konjugation ein Plasmid auf ein anderes Bakterium übertragen. Diese Konjugation wird von einem sogenannten F-Plasmid vermittelt. Dieses Episom hat die Möglichkeit, sich entweder autonom zu replizieren oder mit dem Genom zusammen repliziert zu werden. Ein F-positives (mit F-Plasmid) Bakterium kann mit einem F-negativen konjugieren. Bei der Konjugation wird der Plasmid und in einigen Fällen sogar das gesamte Genom übertragen.

Eine bestimmte Region des Plasmids, die Transferregion steuert den DNA-Transfer. Bei F-positiven Bakterien finden sich an der Oberfläche sogenannte Pili, die vom F-Faktor gesteuert werden und deren Kontakt mit einer anderen Zelle die Paarung auslöst. Der F-Plasmid wird dann in zwei Einzelstränge aufgetrennt und einer dieser Stränge wird an die andere Zelle weiter gegeben. In beiden Zellen werden die Einzelstränge dann wieder zu einem Doppelstrang ergänzt. Bei einem in das Genom integrierten F-Plasmid werden neben dem eigentlichen Plasmid auch weite Teile des Genoms übertragen. Dieser integriert sich in das Genom der Akzeptorzelle. So können die Bakterien genetische Informationen austauschen.

Bei Bakterien erfolgt die Häufigkeit der Replikation in Korelation zum Wachstum der Zelle und nach einer abgeschlossenen Replikation kommt es immer zu einer Zellteilung. Die Geschwindigkeit der Zellteilung ist von der Geschwindigkeit der Replikation und der Zeit, in der sich die Komponenten, die für die Teilung erforderlich sind, zusammenlagern.

Da eine zweite Replikation schon vor dem Ende der ersten eingeleitet wird, entstehen bei der Replikation der Bakterien mehrfach gegabelte Chromosomen. Das Startsignal für die Replikation ist das Erreichen eines bestimmten Verhältnisses von Chromosomenursprüngen zur Zellmasse. Sehr warscheinlich ist das eigentliche Signal entweder die Ansammlung eines Initiators oder die Verdünnung eines Inhibitors.

Die eigentliche Teilung erfolgt durch die Ausbildung eines Septums, einer Einstülpung der Membran in der Mitte der Zelle. Bevor sich das Septum ausbildet, bildet sich der Annulus um die Zelle herum. An dieser Struktur wird der Kontakt zwischen Membran und Zellwand gefördert. Diese Struktur findet man auch bei einer neu gebildeten Zelle. Bei der Teilung wird das Annulus durch die Bildung des Septums ersetzt und in der Nachbarschaft bilden sich zwei neue Annuli.

Man vermutet, dass das Gen ftsZ die zellteilung initiiert. Mutanten in diesem Gen haben einen Defekt in der Bildung des Septums. Ein Septum kann sich in der Zelle an drei Punkten ausbilden: in der Mitte der Zell und an den Polen. An den Polen wird dies verhindert, indem ein Gen minE einem anderen Genprodukt (minCD), das als Inhibitor wirkt, in der Mitte entgegenwirkt und so nur dort eine Ausbildung des Septums gestattet. Das Verhältnis beider Proteine entscheided also über die Bildung des Septums.

Die Verteilung der Chromosomen erfolgt durch den aktiven Transport durch einen Proteinkomplex. Man findet dazu in der Zelle ein Anheftungsprotein an die Membran, MukA und ein dem Dynein verwandtes Protein MukB.

Plasmidreplikation

Bei der Plasmidreplikation unterscheidet man ein Einzelkopie-Kontrollsystem, bei dem die Replikation der gleichen Kontrolle wie auch die Chromosomen unterliegt und ein Mehrfachkopie-Kontrollsystem, bei dem sich ein Plasmid in einer Zelle auch mehrfach replizieren kann.

Bei der Replikation muss durch ein ortsspezifisches Rekombinationssystem sichergestellt werden, dass keine Dimerisierung der neu synthetisierten Ringe statt findet oder diese wieder gelöst wird. Durch ein Anhängigkeitssystem wird gewährleistet, dass das Bakterium nur zusammen mit dem Plasmid überleben kann. Dies kann zum Beispiel durch ein stabiles Gift und ein labiles Gegengift erreicht werden. Verliert das Bakterium den Plasmid, wird das Gegengift schneller abgebaut und das Bakterium stirbt.

Bei Plasmiden mit einer geringen Kopienzahl gibt es einen Mechanismus, der reguliert, dass sich bei einer Zellteilung die Plasmide auf die beiden Seiten des Septums aufteilen. Dies könnte auf einer begrenzten (eventuell nur zwei) Anahl von Bindungsstellen oder einen der Chromosomenverteilung ähnlichen Mechanismus, bei der sich die Plasmide in Paaren anordnen, zurückzuführen sein.

Mitglieder einer Kompatibilitätsgruppe von Plasmiden können in einer Zelle nicht zusammen existieren, da sie z.B. bei der Trennung nicht unterschieden werden können. Man nimmt an, dass die Regulation der Kopienanzahl durch einen Repressor erfolgt, der die Anzahl der Replikation-origins misst. Dieser Mechanismus würde dann bei zwei unterschiedlichen Plasmiden mit dem selben origin ebenfalls greifen, die Replikation verhindern und dazu führen, dass die Plasmide ungleich über die Zellen verteilt werden.

Die Regulation der Kopienanzahl pro Zelle kann z.B. wie im Fall des Co1E1-Plasmid über die Kontrolle eines RNA-Primers geschehen. Zum einen wird die Verfügbarkeit dieses Primers über die Verbindung mit einem Gegentranskript gehemmt, zum anderen durch ein Protein, das in der Nähe des Primers kodiert ist, beeinflusst.

Replikation der DNA Inhalt Replikation der DNA Die Replikation