DNA-Polymerase

Die DNA-Polymerase (oder auch: DNA-abhängige DNA-Polymerase) ist ein Enzym, welches die Synthese von DNA aus Desoxyribonukleotiden an einer DNA-Matrize katalysiert. DNA-Polymerasen spielen eine Schlüsselrolle bei der DNA-Replikation.

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Biochemische Aspekte

Polymerase-Aktivität

Die Polymerase ermöglicht die chemische Verknüpfung von einzelnen Molekülen (Monomere) zu einer Kette (Polymer). Im Falle der DNA-Polymerase ist das gebildete Polymer die Desoxyribonukleinsäure (DNA), als Monomere dienen Desoxyribonukleotide, auch genannt Desoxy-Nukleosidtriphosphate (dNTPs). Die DNA-Polymerase nutzt stets einen bereits bestehenden DNA-Einzelstrang als Matrize (Vorlage) für die Synthese eines neuen, komplementären Stranges, dessen Nukleotid-Abfolge somit von der Matrize bestimmt wird. Dieser Erhalt der DNA-Sequenz ist entscheidend für die Fähigkeit der DNA-Polymerase, die in der DNA codierte Erbinformation zu kopieren. Das korrekte Kopieren der Matrize gelingt durch komplementäre Basenpaarung der eingebauten Nukleotidbasen mit den Basen der DNA-Matrize, vermittelt durch Wasserstoffbrücken. Die Synthese des neuen DNA-Stranges erfolgt vom 5'- zum 3'-Ende. Chemisch betrachtet findet dabei ein nukleophiler Angriff der endständigen 3'-OH-Gruppe des DNA-Stranges auf das α-Phosphat des dNTPs statt, wobei Pyrophosphat freigesetzt wird. Dieser Schritt wird von der Polymerase katalysiert.

Im Gegensatz zu RNA-Polymerasen kann die Synthese des komplementären DNA-Stranges bei DNA-Polymerasen nur erfolgen, wenn der Polymerase ein freies 3'-OH Ende zur Verfügung steht. An dieses wird dann das erste Nukleotid angehängt. Bei der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) nutzt man hierzu einen ca. 15-20 Nukleotide langen DNA-Einzelstrang (Primer), der als Startpunkt der Reaktion dient. DNA-Polymerasen benötigen in der Regel Magnesium-Ionen als Kofaktor.

Exonuklease-Aktivität

Viele Polymerasen haben zusätzlich noch weitere Enzym-Funktionen. Um zu gewährleisten, dass es zu keinen Fehlern beim Ablesen der DNA-Matrize kommt, verfügen sie über eine sogenannte Korrekturlese-Funktion (engl. proof reading), d.h. sie sind in der Lage, den Einbau eines unpassenden Nukleotids zu erkennen und dieses anschließend wieder aus der DNA zu entfernen. Man bezeichnet diese Fähigkeit als 3'→5'-Exonuklease-Aktivität. Einige Polymerasen zeigen eine 5'→3'-Endonuklease-Aktivität. Diese ermöglicht den Abbau eines bestehenden DNA- oder RNA-Stranges, der bereits mit dem Matrizenstrang gepaart ist, während ein neuer Strang gebildet wird. Es resultiert ein Austausch des alten Stranges gegen einen neuen Strang.

Verschiedene DNA-Polymerasen

In Bakterien, wie etwa Escherichia coli gibt es drei verschiedene Polymerasen. Eine davon, die DNA-Polymerase I (Pol I) wurde im Jahr 1955 von Arthur Kornberg isoliert und war die erste Polymerase überhaupt, die entdeckt wurde. Diese ist aber nicht die für die Replikation wichtigste Polymerase in E. coli, da sie nur etwa 20 Syntheseschritte katalysiert. (Man sagt sie besitzt nur eine niedrige Prozessivität.) Die beiden anderen DNA-Polymerasen (II und III) in E. coli wurden erst 15 Jahre nach der Entdeckung der DNA-Polymerase I isoliert, nachdem sich E. coli-Mutanten mit Defekt im Polymerase I Gen dennoch als Replikationskompetent erwiesen. Diese Mutanten waren allerdings besonders anfällig gegenüber UV-Strahlung und alkyliernden Substanzen, weshalb man annimmt, dass die DNA-Polymerase I vorwiegend Reparaturaufgaben übernimmt. Die Polymerase III, die in E. coli die eigentliche Replikation durchführt, ist aus insgesamt sieben Untereinheiten aufgebaut und kommt pro Bakterienzelle nur in sehr wenigen Kopien vor.

In Säugern kommen fünf DNA-Polymerasen vor. DNA-Polymerase α, β, γ, δ und ε. Die für die Replikation entscheidenden scheinen hier die Polymerasen δ und ε zu sein, die sich durch hohe Prozessivität und Korrekturlesefunktion (Proofreading) auszeichnen. Die Polymerasen α und β zeigen dagegen nur geringe Prozessivität und keine Proofreadingfunktion. Die Polymerase γ tritt nur in Mitochondrien auf.

Biologische Bedeutung

DNA-Polymerasen sind von zentraler Bedeutung für die DNA-Replikation. Sie ermöglichen das getreue Kopieren der Erbinformation in Form von DNA, somit einen entscheidenden Schritt bei der Vermehrung und Fortpflanzung von Lebewesen. DNA-Polymerasen spielen zudem bei Vorgängen, die mit der Reparatur von DNA einhergehen, eine wichtige Rolle.

Biotechnologische Bedeutung

Im Labor werden DNA-Polymerasen oft für die Polymerase-Kettenreaktion eingesetzt. Dabei kommt eine Vielzahl von verschiedenen, teils gentechnisch veränderten Polymerasen zum Einsatz. Neben einer hohen Temperaturstabilität kommt dabei der Korrekturlese-Funktion (proof-reading) eine große Bedeutung zu, da es bei der PCR zu keiner Veränderung der DNA kommen darf. Nicht zuletzt bei der DNA-Sequenzierung ist der Einsatz von DNA-Polymerasen von großer Bedeutung.

Literatur

• Lehninger, Nelson, Cox: Lehninger Biochemie. 3. Aufl., Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2001, ISBN 3-540-41813-X
• Wilhelm Seyffert: Lehrbuch der Genetik 2. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, Berlin, 2003. ISBN 3827410223