Desoxyribonukleinsäure

  Die Desoxyribonukleinsäure (kurz DNS oder DNA) (lat.-fr.-gr. Kunstwort) ist ein in allen Lebewesen und DNA-Viren vorkommendes Biomolekül und die Trägerin der Erbinformation. Sie enthält unter anderem die Gene, die für Ribonukleinsäuren (RNA, im Deutschen auch RNS) und Proteine codieren, welche für die biologische Entwicklung eines Organismus und den Stoffwechsel in der Zelle notwendig sind. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird die Desoxyribonukleinsäure überwiegend mit der englischen Abkürzung DNA (deoxyribonucleic acid) bezeichnet; die parallel bestehende deutsche Abkürzung DNS wird hingegen seltener verwendet und ist laut Duden „veraltend“.^[1]

Im Normalzustand ist die DNA in Form einer Doppelhelix organisiert (siehe Animation rechts). Chemisch gesehen handelt es sich um eine Nukleinsäure, ein langes Kettenmolekül (Polymer) aus Einzelstücken, sogenannten Nukleotiden. Jedes Nukleotid besteht aus einem Phosphat-Rest, einem Zucker und einer von vier organischen Basen mit den Kürzeln A,T, G und C. Innerhalb der Protein-codierenden Gene legt die Abfolge der Basen die Abfolge der Aminosäuren des jeweiligen Proteins fest: Im genetischen Code stehen jeweils drei Basen für eine bestimmte Aminosäure.

Bei den Zellen von Pflanzen, Tieren, und Pilzen, den sogenannten Eukaryoten, ist der Großteil der DNA im Zellkern als Chromosomen organisiert, während bei Bakterien und Archaeen (den Prokaryoten) die DNA im Zellsaft, dem Cytoplasma, verteilt vorliegt. Manche Zellorganellen der Eukaryoten, nämlich Mitochondrien und Chloroplasten, enthalten ebenfalls DNA. Manche Viren, die sogenannten RNA-Viren, haben keine DNA. Hier wird die genetische Information durch das der DNA verwandte Molekül RNA vererbt.

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Entdeckungsgeschichte

      1869 entdeckte der Schweizer Arzt Friedrich Miescher in einem Extrakt aus Eiter, eine aus den Zellkernen der Lymphocyten kommende Substanz, die er Nuklein nannte. Miescher arbeitete damals im Labor von Felix Hoppe-Seyler im Tübinger Schloss.^[2] Erst 1919, 50 Jahre später, identifizierte Phoebus Levene die Bestandteile der DNA (Base, Zucker und Phosphatrest).^[3] Levene schlug eine kettenartige Struktur der DNA vor, in welcher die Nukleotide durch die Phosphatreste zusammengefügt sind und sich stetig wiederholen. 1937 publizierte William Astbury erstmals Röntgenbeugungsmuster, welche auf eine repetitive Struktur der DNA hinwiesen.^[4]

1943 entdeckte Oswald Avery (Versuchsbeschreibung siehe dort), dass ein nicht krankheitserregender Stamm von Pneumococcus-Bakterien krankheitserregende Eigenschaften erwerben konnte, wenn er mit toten Pneumococcus-Bakterien der krankheitserregenden Form zusammengebracht wurde. Avery identifizierte DNA als die Substanz, welche die Information für diese Transformation enthielt.^[5] Unterstützung in seiner Interpretation erhielt Avery 1952, als Alfred Hershey und Martha Chase nachwiesen, dass DNA die Erbinformation des T2 Phagen enthält.^[6]

Der strukturelle Aufbau der DNA wurde erstmals 1953 vom US-Amerikaner James Watson und dem Briten Francis Crick in ihrem berühmten Artikel Molecular structure of nucleic acids. A structure for deoxyribose nucleic acid beschrieben^[7]. Watson kam 1951 nach England, nachdem er ein Jahr zuvor an der Indiana University in den USA promoviert hatte. Er hatte zwar ein Stipendium für Molekularbiologie bekommen, beschäftigte sich aber vermehrt mit der Frage des menschlichen Erbguts. Crick widmete sich gerade erfolglos seiner Promotion über die Kristallstruktur des Hämoglobinmoleküls in Cambridge, als er 1951 Watson traf. Zu dieser Zeit war bereits ein erbitterter Wettlauf um die Struktur der DNA entbrannt, an dem sich neben anderen auch Linus Pauling am California Institute of Technology beteiligte. Watson und Crick waren eigentlich anderen Projekten zugeteilt worden und besaßen kein großes Fachwissen in Chemie. Sie bauten ihre Überlegungen auf den Forschungsergebnissen der anderen Wissenschaftler auf. Watson sagte, er wolle das Erbgut entschlüsseln, ohne Chemie lernen zu müssen. In einem Gespräch mit dem renommierten Chemiker Erwin Chargaff vergaß Crick wichtige Molekülstrukturen und Watson machte im selben Gespräch unpassende Anmerkungen, die seine Unkenntnis auf dem Gebiet der Chemie darlegten. Chargaff nannte die jungen Kollegen im Anschluss „wissenschaftliche Clowns“.

Watson besuchte Ende 1952 Maurice Wilkins am King's College in London, der ihm DNA-Röntgenaufnahmen von Rosalind Franklin zeigte (was gegen den Willen von Franklin geschah). Watson sah sofort, dass es sich bei dem Molekül um eine Doppel-Helix handeln musste; Franklin selber hatte aufgrund der Daten auch das Vorhandensein einer Helix vermutet, jedoch hatte sie kein überzeugendes Modell für die Struktur vorzuweisen. Da bekannt war, dass die Purin- und Pyrimidin-Basen Paare bilden, gelang es Watson und Crick, die komplette Molekularstruktur herzuleiten. So entwickelten sie am Cavendish-Laboratorium der Universität Cambridge das Doppelhelix-Modell der DNA mit den Basenpaaren in der Mitte, das am 25. April 1953 in der Zeitschrift Nature publiziert wurde.^[8] Diese denkwürdige Publikation enthält gegen Ende des Artikels den Satz „It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material“ (Es ist unserer Aufmerksamkeit nicht entgangen, dass die speziellen Paarungen, die wir als gegeben voraussetzen, unmittelbar auf einen möglichen Vervielfältigungsmechanismus für die genetische Erbsubstanz schließen lassen.)

„Für ihre Entdeckungen über die Molekularstruktur der Nukleinsäuren und ihre Bedeutung für die Informationsübertragung in lebender Substanz“ erhielten Watson und Crick zusammen mit Maurice Wilkins 1962 den Nobelpreis für Medizin.^[9] Rosalind Franklin, deren Röntgenbeugungsdiagramme wesentlich zur Entschlüsselung der DNA-Struktur beigetragen hatten, war zu diesem Zeitpunkt bereits verstorben und konnte daher nicht mehr nominiert werden.

Für weitere geschichtliche Informationen zur Entschlüsselung der Vererbungsvorgänge siehe „Geschichte des Zellkerns“ sowie „Geschichte der Chromosomen“ und „Chromosomentheorie der Vererbung“.

Aufbau und Organisation

Bausteine

Die Desoxyribonukleinsäure ist ein langes Kettenmolekül (Polymer) aus vielen Bausteinen, die man Desoxyribonukleotide oder kurz Nukleotide nennt. Jedes Nukleotid hat drei Bestandteile: Phosphorsäure bzw. Phosphat, den Zucker Desoxyribose sowie eine heterozyklische Nukleobase oder kurz Base. Die Desoxyribose- und Phosphorsäure-Untereinheiten sind bei jedem Nukleotid gleich. Sie bilden das Rückgrat des Moleküls. Einheiten aus Base und Zucker (ohne Phosphat) werden als Nukleoside bezeichnet.

Die Phosphatreste, welche aufgrund ihrer negativen Ladung hydrophil sind, geben der DNA insgesamt eine negative Ladung. Sie sind es auch, die DNA chemisch zur Säure machen.

Bei der Base kann es sich um ein Purin, nämlich Adenin (A) oder Guanin (G), oder um ein Pyrimidin, nämlich Thymin (T) oder Cytosin (C), handeln. Da sich die vier verschiedene Nukleotide nur durch ihre Base unterscheiden, werden die Abkürzungen A, G, T und C auch für die entsprechenden Nukleotide verwendet.

Die fünf Kohlenstoffatome einer Desoxyribose sind von 1' (sprich Eins Strich) bis 5' nummeriert. Am 1'-Ende dieses Zuckers ist die Base gebunden. Am 5'-Ende hängt der Phosphatrest. Genau genommen handelt es sich bei der Desoxyribose um die 2-Desoxyribose, der Name ruht daher, dass im Vergleich zu einem Ribose-Molekül eine alkoholische OH-Gruppe an der 2'-Position fehlt (bzw. durch einen Wasserstoff ersetzt wurde).

An der 3'-Position ist eine OH-Gruppe vorhanden, welche die Desoxyribose über eine sogenannte Phosphodiester Bindung mit der Phosphatgruppe des nächsten Nukleotids zum 5'-Kohlenstoffatom des zugehörigen Zuckers verknüpft (siehe Abbildung). Dadurch besitzt jeder sogenannte Einzelstrang, zwei verschiedene Enden: Ein 5'-Ende und ein 3'-Ende. DNA-Polymerasen, die in der belebten Welt die Synthese von DNA-Strängen durchführen, können neue Nukleotide nur an die OH-Gruppe am 3'-Ende anfügen, nicht aber am 5'-Ende. Der Einzelstrang wächst also immer von 5' nach 3' (siehe auch DNA-Replikation weiter unten). Dabei wird ein Nukleosidtriphosphat (mit drei Phosphatresten) als neuer Baustein angeliefert, von dem zwei Phosphate in Form von Pyrophosphat abgespalten werden. Der verbleibende Phosphatrest des jeweils neu hinzukommenden Nukleotids wird mit der OH-Gruppe am 3'-Ende des letzten im Strang vorhandenen Nukleotids unter Wasserabspaltung verbunden. Die Abfolge der Basen im Strang kodiert die genetische Information.

Die Doppelhelix

DNA kommt normalerweise als schraubenförmige Doppelhelix in einer Konformation vor, die „B-DNA“ genannt wird. Zwei der soeben beschriebenen Einzelstränge sind dabei aneinandergelagert, und zwar in entgegengesetzter Richtung: an jedem Ende der Doppelhelix hat einer der beiden Einzelstränge sein 3'-Ende, der andere sein 5'-Ende. Durch die Aneinanderlagerung stehen sich in der Mitte der Doppelhelix immer zwei bestimmte Basen gegenüber, sie sind „gepaart“. Über Wasserstoffbrücken zwischen den gepaarten Basen und durch hydrophobe Wechselwirkungen zwischen aufeinander folgenden Basen wird der Zusammenhalt der Doppelhelix stabilisiert.

Es paaren sich immer Adenin und Thymin, die dabei zwei Wasserstoffbrücken ausbilden, oder Cytosin mit Guanin, die über drei Wasserstoffbrücken miteinander verknüpft sind. Eine Brückenbildung erfolgt zwischen den Molekülpositionen 1=1 sowie 6=6, bei Guanin-Cytosin-Paarungen zusätzlich zwischen 2=2. Da sich immer die gleichen Basen paaren, lässt sich aus der Sequenz der Basen in einem Strang folglich die des anderen Strangs ableiten, die Sequenzen sind komplementär. (Siehe auch: Basenpaar.) Der Anteil von Guanin und Cytosin relativ zu Adenin und Thymin in einem DNA-Doppelstrang gibt Auskunft über die Stabilität der Verknüpfungen zwischen den beiden komplementären Einzelstränge: Guanin-Cytosin Paarungen mit ihren jeweils drei Wasserstoffbrücken bewirken eine stärkere Verknüpfung der beiden Einzelstränge als zwischen Adenin und Thymin, da deren komplementäre Paarungen nur durch zwei Wasserstoffbrücken erfolgen.

Da stets ein Purin mit einem Pyrimidin kombiniert wird, ist der Abstand zwischen den Strängen überall gleich, es entsteht eine regelmäßige Struktur. Die ganze Helix hat einen Durchmesser von ungefähr 2 Nanometern (nm) und windet sich mit jedem Zuckermolekül um 0,34 nm weiter. Die Ebenen der Zuckermoleküle stehen in einem Winkel von 36° zueinander und eine vollständige Drehung wird folglich nach 10 Basen (360°) und 3,4 nm erreicht. DNA-Moleküle können sehr groß werden. Beispielsweise enthält das größte menschliche Chromosom 247 Millionen Basenpaare^[10] in einem durchgehenden DNA-Faden von 8,4 Zentimetern Länge.

Beim umeinander winden der beiden Einzelstränge verbleiben seitliche Lücken, so dass hier die Basen direkt an der Oberfläche liegen. Von diesen Furchen gibt es zwei, die sich um die Doppelhelix herumwinden (siehe Abbildungen und Animation am Artikelanfang). Die „große Furche“ ist 2,2 nm breit, die „kleine Furche“ nur 1,2 nm^[11]. Entsprechend sind die Basen in der großen Furche besser zugänglich. Proteine, die sequenzspezifisch an die DNA binden, wie z. B. Transkriptionsfaktoren, binden daher meistens an der großen Furche ^[12]. Auch manche DNA-Farbstoffe, wie z. B. DAPI lagern sich an einer Furche an.

Die gesammelte Bindungsenergie der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den beiden Einzelsträngen hält diese zusammen. Kovalente Bindungen sind hier nicht vorhanden, die DNA-Doppelhelix besteht also nicht aus einem Molekül, sondern aus zweien. Dadurch können die beiden Stränge in biologischen Prozessen zeitweise getrennt werden.

Neben der eben beschriebenen B-DNA existieren auch eine „A-Form“ sowie eine 1979 von Alexander Rich und seinen Kollegen am MIT erstmals auch untersuchte, linkshändige, so genannte „Z-DNA“. Diese tritt besonders in G-C-reichen Abschnitten auf. Erst 2005 wurde über eine Kristallstruktur berichtet, welche Z-DNA direkt in einer Verbindung mit B-DNA zeigt und so Hinweise auf eine biologische Aktivität von Z-DNA liefert^[13]. Die folgende Tabelle und die daneben stehende Abbildung zeigen die Unterschiede der drei Formen im direkten Vergleich.

Die Stapel der Basenpaare (base stacking) liegen nicht wie Bücher exakt parallel aufeinander, sondern bilden Keile, die die Helix in die eine oder andere Richtung neigen. Den größten Keil bilden Adenosine, die mit Thymidinen des anderen Stranges gepaart sind. Folglich bildet eine Serie von AT-Paaren einen Bogen in der Helix. Wenn solche Serien in kurzen Abständen aufeinander folgen, nimmt das DNA-Molekül eine gebogene bzw. eine gekrümmte Struktur an, welche stabil ist. Dies wird auch Sequenz-induzierten Beugung genannt, da die Beugung auch von Proteinen hervorgerufen werden kann (die sogenannte Protein-induzierte Beugung). Sequenzinduzierte Beugung findet man häufig an wichtigen Stellen im Genom.

Chromatin und Chromosomen

Hauptartikel: Chromatin und Chromosom

Organisiert ist die DNA in der eukaryotischen Zelle in Form von Chromatinfäden, genannt Chromosomen, die im Zellkern liegen. Ein einzelnes Chromosom enthält jeweils einen langen, kontinuierlichen DNA-Doppelstrang. Da ein solcher DNA-Faden mehrere Zentimeter lang sein kann, ein Zellkern aber nur wenige Mikrometer Durchmesser hat, muss die DNA zusätzlich komprimiert bzw. „gepackt“ werden. Dies geschieht bei Eukaryoten mit sogenannten Chromatinproteinen, von denen besonders die basischen Histone zu erwähnen sind. Sie bilden die Nukleosomen, um die die DNA auf der niedrigsten Verpackungsebene herumgewickelt wird. Während der Kernteilung (Mitose) wird jedes Chromosom zu einer kompakten Form kondensiert. Dadurch werden sie lichtmikroskopisch bereits bei geringer Vergrößerung sichtbar.

Bakterielle und virale DNA

In prokaryotischen Zellen liegt die DNA nicht als linearer Faden mit einem Anfang und einem Ende vor, sondern als zirkuläres Molekül – das 5'-Ende ist also mit dem 3'-Ende des DNA-Stranges verbunden. Diese ringförmig geschlossenen DNA-Moleküle werden je nach Länge der Sequenz als Bakterienchromosom oder Plasmid bezeichnet. Sie befinden sich bei Bakterien auch nicht in einem Zellkern, sondern liegen frei im Plasma vor. Die Prokaryoten-DNA wird mit Hilfe von Enzymen (z. B. Topoisomerasen und Gyrasen) zu einfachen „Supercoils“ aufgewickelt, die man sich wie eine verdrehte Telefonschnur vorstellen kann. Indem die Helices noch um sich selbst gedreht werden, sinkt der Platzbedarf für die Erbinformation. In den Bakterien sorgen Topoisomerasen dafür, dass durch ständiges Schneiden und Wiederverknüpfen der DNA der verdrillte Doppelstrang an einer gewünschten Stelle entwunden wird (Voraussetzung für Transkription und Replikation). Viren enthalten je nach Typ als Erbinformation entweder DNA oder RNA. Sowohl bei den DNA-Viren als auch bei den RNA-Viren wird die Nukleinsäure von einer Protein-Hülle geschützt.

Chemische und physikalische Eigenschaften der DNA-Doppelhelix

weiterführende Artikel: GC-Gehalt und Agarose-Gelelektrophorese

Die DNA ist bei neutralem pH ein negativ geladenes Molekül, wobei die negativen Ladungen auf den Phosphaten im Rückgrat der Stränge sitzt. Zwar sind zwei der drei sauren OH-Gruppen der Phosphate mit den jeweils benachbarten Desoxyribosen verestert, die dritte ist jedoch noch vorhanden und gibt bei neutralem pH-Wert ein Proton ab, was die negative Ladung bewirkt. Diese Eigenschaft macht man sich bei der Agarose-Gelelektrophorese zu Nutze, um verschiedene DNA-Stränge nach ihrer Länge aufzutrennen.

Eine weitere wichtige Eigenschaft eines DNA-Stranges ist der sogenannte Schmelzpunkt. Im Gegensatz zum normalen Gebrauch des Wortes, der den Übergang von der festen zur flüssigen Phase charakterisiert, bezeichnet der Schmelzpunkt der DNA jene Temperatur, bei der die Bindungskräfte zwischen den beiden Einzelsträngen überwunden werden und diese sich von einander trennen. Dies wird auch als denaturieren bezeichnet. Die genaue Temperatur des Schmelzpunktes T_m hängt von der Dichte und Stärke der Wasserstoffbrückenbindungen in der Helix ab: Da A-T Basenpaarungen nur zwei, G-C Paarungen aber drei Wasserstoffbrückenbindungen bilden, haben GC reiche Abschnitte eine höhere Schmelztemperatur. Das Verhältnis dieser Basenpaarungen zueinander wird als GC-Gehalt bezeichnet. Die Stärke der Bindungen variiert mit der Konzentration Ionen in der Lösung, so dass auch diese einen Einfluss hat. Für eine Na⁺-Konzentration von 0,2 M kann die Schmelztemperatur in °C nach der folgenden Formel berechnet werden:

T_m=69,3+0,41×(GC-Gehalt in Prozent)^[14].

Bei einem GC-Gehalt von 50 % ergibt sich also T_m = 89,8 °C, bei einer reinen AT DNA ergäbe sich T_m = 69,3 °C, bei einer reinen GC DNA T_m = 110,3 °C. Für kurze DNA-Fragmente von etwa 5−20 Basenpaare, sogenannte Oligonukleotide oder kurz Oligos, gilt die Formel nicht, diese trennen sich schon bei niedrigeren Temperaturen. Auch hydrophobe Wechselwirkungen und Van-der-Waals-Kräfte zwischen den im Doppelstrang übereinander liegenden Basen (zusammen stacking forces, deutsch etwa Stapelkräfte) beeinflussen den Schmelzpunkt, so dass dieser bei so kurzen DNA-Stücken auch von der Länge abhängt. In Puffern mit wenig Salz (<100 mM Na⁺) gilt für die Schmelztemperatur in °C:

T_m = 4(G+C)+2(A+T)^[15]

wobei für die Buchstaben die Anzahl der jeweiligen Nukleotide einzusetzen ist. Zum Beispiel ergibt sich für 10 G-C und 8 A-T Paarungen ein T_m von 4 · 10 + 2 · 8 = 56 °C. Durch eine Verringerung der Ionenkonzentration oder die Verwendung eines Lösungsmittels, das die Stärke der Wasserstoffbrückenbindung zwischen den Einzelsträngen vermindert, wie z. B. Formamid, kann die Schmelztemperatur erheblich herabgesetzt werden. Umgekehrt lässt sich unter kontrollierten Bedingungen aus dem Schmelzpunkt einer DNA auf ihren GC-Gehalt schließen. Da einzelsträngige DNA UV-Licht etwa 40% stärker absorbiert als doppelsträngige, lässt sich die Übergangstemperatur in einem Photometer gut bestimmen.

Wenn die Temperatur der Lösung wieder unter T_m fällt, können sich die Einzelstränge wieder aneinanderlagern. Dieser Vorgang wird als Renaturierung oder Hybridisierung bezeichnet. Das Wechselspiel von De- und Renaturierung macht man sich bei vielen biotechnologischen Verfahren zu Nutze, beispielsweise bei der Polymerase-Kettenreaktion (PCR), bei Southern Blots und der in situ Hybridisierung.

Kreuzförmige DNA an Palindromen

Ein Palindrom ist eine Folge von Nukleotiden, bei denen sich die beiden komplementären Stränge jeweils von rechts genauso lesen lassen wie von links. Unter natürlichen Bedingungen (bei hoher Drehspannung der DNA) oder künstlich im Reagenzglas kann sich diese lineare Helix als Kreuzform (cruciform) herausbilden, indem zwei aus der linearen Helix herausragende Zweige entstehen. Die Zweige stellen jeweils für sich eine Helix dar, allerdings bleiben am Ende eines Zweiges mindestens drei Nukleotide ungepaart. Bei dem Übergang von der Kreuzform in die lineare Helix bleibt die Basenpaarung wegen der Biegungsfähigkeit des Phosphordiester-Zucker-Rückgrates erhalten. Die spontane Zusammenlagerung von komplementären Basen zu sog. Stamm-Schleifen-Strukturen wird häufig auch bei Einzelstrang-DNA oder –RNA beobachtet.

Genetischer Informationsgehalt und Transkription

Hauptartikel: Gen sowie Genetischer Code und Transkription (Biologie)

DNA-Moleküle spielen als Informationsträger und „Andockstelle“ eine wichtige Rolle für Enzyme, die für die Transkription zuständig sind. Weiterhin ist die Information bestimmter DNA-Abschnitte, wie sie etwa in operativen Einheiten wie dem Operon vorliegt, wichtig für Regulationsprozesse innerhalb der Zelle.

Bestimmte Abschnitte der DNA, die so genannten Gene, kodieren für genetische Informationen, die dem Organismus nützlich ist. Gene enthalten „Baupläne“ für Proteine oder Moleküle, welche bei der Proteinsynthese oder Regulation des Stoffwechsels einer Zelle beteiligt sind. Die Reihenfolge der Basen bestimmt dabei die genetische Information. Diese Basensequenz kann mittels Sequenzierung z. B. über die Sanger-Methode ermittelt werden.

Die Basenabfolge (Basensequenz) eines Genabschnitts der DNA wird zunächst durch die Transkription in die komplementäre Basensequenz eines so genannten Ribonukleinsäure-Moleküls überschrieben (abgekürzt RNA, selten auch deutsch RNS). RNA enthält im Unterschied zu DNA den Zucker Ribose anstelle von Desoxyribose und die Base Uracil anstelle von Thymin, der Informationsgehalt ist aber derselbe. Für die Proteinsynthese werden sogenannte mRNAs verwendet, einsträngige RNA-Moleküle, die aus dem Kern ins Cytoplasma hinaustransportiert werden, wo die Proteinsynthese stattfindet (siehe Proteinbiosynthese).

Die sogenannte „Ein-Gen-Ein-Protein-Hypothese“, die besagt, dass von einem kodierenden Abschnitt auf der DNA die Sequenz eines Proteinmoleküls abgelesen wird, hat heute nur noch eingeschränkte Gültigkeit: Es gibt Regionen der DNA, die durch Verwendung unterschiedlicher Leseraster bei der Transkription jeweils mehrere Proteine kodieren. Außerdem können durch alternatives Splicing (nachträgliches Schneiden der mRNA) verschiedene Isoformen eines Proteins hergestellt werden.

DNA-Replikation

Hauptartikel: Replikation

Die DNA ist in der Lage, sich mit Hilfe von Enzymen selbst zu verdoppeln. Sie wird nach dem so genannten semikonservativen Prinzip repliziert. Die doppelsträngige Helix wird zunächst durch das Enzym Helicase aufgetrennt. Jeder der beiden dabei entstehenden Einzelstränge dient nun als Matrize (Vorlage) für den jeweils zu synthetisierenden komplementären Gegenstrang, d. h., jedes der beiden Tochtermoleküle der replizierten DNA besteht aus einem alten und einem dazu komplementären, neu synthetisierten Einzelstrang.

Der Vorgang der DNA-Synthese, d. h. die Bindung der zu verknüpfenden Nukleotide, wird durch Enzyme aus der Gruppe der DNA-Polymerasen vollzogen. Ein zu verknüpfendes Nukleotid muss in der Triphosphat-Verbindung – also als Desoxyribonukleosidtriphosphat – vorliegen. Durch Abspaltung zweier Phosphatteile wird die für den Bindungsvorgang benötigte Energie frei.

Im Bereich der durch das Enzym Helicase gebildeten Replikationsgabel – zweier auseinander laufender DNA-Einzelstränge – markiert zunächst ein RNA-Primer, der durch das Enzym Primase synthetisiert wird, den Startpunkt der DNA-Neusynthese. An dieses RNA-Molekül hängt die DNA-Polymerase dann ein zum Nukleotid des alten DNA-Einzelstrangs komplementäres Nukleotid, daran wieder ein weiteres neues passendes Nukleotid usw., bis die DNA wieder zu einem Doppelstrang komplettiert wurde. Dies geschieht an beiden geöffneten Einzelsträngen.

Dennoch entsteht dabei ein Problem: Die Verknüpfung der neuen Nukleotide zu einem komplementären DNA-Einzelstrang verläuft nur in 5'→3' Richtung, d. h. kontinuierlich den alten 3'→5'-Strang entlang (und dabei diesen ablesend) in Richtung der sich immer weiter öffnenden Replikationsgabel ohne Pause in einem Schritt durch.

Die Synthese des zweiten neuen Stranges am alten 5'→3'-Strang dagegen kann nicht kontinuierlich in Richtung der Replikationsgabel, sondern nur von dieser weg ebenfalls in 5'→3' Richtung erfolgen. Die Replikationsgabel ist aber zu Beginn der Replikation nur ein wenig geöffnet, weshalb an diesem Strang – in „unpassender“ Gegenrichtung – immer nur ein kurzes Stück neuer komplementärer DNA entstehen kann.

Da hier jeweils eine DNA-Polymerase nur ca. 1000 Nukleotide verknüpft, ist es notwendig, den gesamten komplementären Strang stückchenweise zu synthetisieren. Bei etwas weiter geöffnetem Zustand der Replikationsgabel lagert sich daher ein neuer RNA-Primer wieder direkt an der Gabelungsstelle an den DNA-Einzelstrang an, und die nächste DNA-Polymerase beginnt – sich von der Replikationsgabel entfernend – erneut ca. 1000 Nukleotide an den RNA-Primer zu hängen.

Derselbe Vorgang wird laufend wiederholt, d. h., der komplementäre DNA-Strang entsteht nach und nach häppchenweise. Bei der Synthese des 3'→5'-Stranges wird also pro DNA-Syntheseeinheit jeweils ein neuer RNA-Primer benötigt. Primer und zugehörige Syntheseeinheit bezeichnet man als Okazaki-Fragment. Die für den Replikations-Start benötigten RNA-Primer werden anschließend enzymatisch abgebaut. Dadurch entstehen Lücken im neuen DNA-Strang, welche durch spezielle DNA-Polymerasen mit DNA-Nukleotiden aufgefüllt werden.

Zum Abschluss verknüpft das Enzym Ligase die noch nicht miteinander verbundenen neuen DNA-Abschnitte zu einem einzigen, langen, komplementären Strang.

Nach Abschluss der Replikation wurden also zwei DNA-Einzelstränge in etwas unterschiedlicher Weise jeweils wieder zu einem Doppelstrang ergänzt. Aus einem DNA-Molekül sind somit zwei identische entstanden.

Mutationen und andere DNA-Schäden

Hauptartikel: Mutation und DNA-Reparatur

Mutationen von DNA-Abschnitten – z. B. Austausch von Basen gegen andere oder Änderungen in der Basensequenz – führen zu Veränderungen des Erbgutes, die zum Teil tödlich (letal) für den betroffenen Organismus sein können. In seltenen Fällen sind solche Mutationen aber auch von Vorteil; sie bilden dann den Ausgangspunkt für die Veränderung von Lebewesen im Rahmen der Evolution. Mittels der Rekombination bei der geschlechtlichen Fortpflanzung wird diese Veränderung der DNA sogar zu einem entscheidenden Faktor bei der Evolution: Die eukaryotische Zelle besitzt in der Regel mehrere Chromosomensätze, d. h. ein DNA-Doppelstrang liegt mindestens zwei Mal vor. Durch wechselseitigen Austausch von Teilen dieser DNA-Stränge, dem Crossing-over bei der Meiose, können so neue Eigenschaften entstehen.

DNA-Moleküle können durch verschiedene Einflüsse beschädigt werden. UV- oder γ-Strahlung, Alkylierung sowie Oxidation können die DNA-Basen chemisch verändern oder zum Strangbruch führen. Diese chemischen Änderungen beeinträchtigen unter Umständen die Paarungseigenschaften der betroffenen Basen. Dieses Prinzip ist eine wesentliche Ursache für Mutationen während der Replikation.

Einige häufige DNA-Schäden sind:

• die Bildung von Uracil aus Cytosin unter spontanem Verlust einer Aminogruppe durch Hydrolyse: Uracil ist wie Thymin komplementär zu Adenin.
• Thymin-Thymin-Dimerschäden verursacht durch photochemische Reaktion zweier aufeinander folgender Thyminbasen im DNA-Strang durch UV-Strahlung, z. B. aus Sonnenlicht. (Diese Schäden sind wahrscheinlich eine wesentliche Ursache für die Entstehung von Hautkrebs).
• die Entstehung von 8-oxo-Guanin durch Oxidation von Guanin: 8-oxo-Guanin ist sowohl zu Cytosin als auch zu Adenin komplementär. Während der Replikation können beide Basen gegenüber 8-oxo-Guanin eingebaut werden.

Aufgrund ihrer mutagenen Eigenschaften und ihres häufigen Auftretens (Schätzungen belaufen sich auf 10⁴-10⁶ neue Schäden pro Zelle und Tag) müssen DNA-Schäden rechtzeitig aus dem Genom entfernt werden. Zellen verfügen dafür über ein effizientes DNA-Reparatursystem. Dieses beseitigt Schäden mit Hilfe folgender Strategien:

• Direkte Schadensreversion: Ein Enzym macht die chemische Änderung an der DNA-Base rückgängig.
• Basenexcisionsreparatur: Die fehlerhafte Base, z. B. 8-oxo-Guanin, wird aus dem Genom ausgeschnitten. Die entstandene freie Stelle wird anhand der Information im Gegenstrang neu synthetisiert.
• Nukleotidexcisionsreparatur: Ein größerer Teilstrang, der den Schaden enthält, wird aus dem Genom ausgeschnitten. Dieser wird anhand der Information im Gegenstrang neu synthetisiert.
• Homologe Rekombination: Sind beide DNA-Stränge beschädigt, wird die genetische Information aus dem zweiten Chromosom des homologen Chromosomenpaars für die Reparatur verwendet.
• Replikation mit speziellen Polymerasen: DNA-Polymerase η kann z. B. fehlerfrei über einen TT-Dimerschaden replizieren. Menschen, bei denen Polymerase η nicht oder nur eingeschränkt funktioniert, leiden häufig an Xeroderma Pigmentosum, einer Erbkrankheit, die zu extremer Sonnenlichtempfindlichkeit führt.

Quellenangaben

Literatur

• Chris R. Calladine u. a.: DNA – Das Molekül und seine Funktionsweise. 3. Aufl., Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2005. ISBN 3-8274-1605-1
• Terence A. Brown: Moderne Genetik. 2. Aufl., Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1999. ISBN 3-8274-0306-5
• Ernst Peter Fischer: Am Anfang war die Doppelhelix. Ullstein, Berlin 2004. ISBN 3-548-36673-2
• Ernst Peter Fischer: Das Genom. Fischer, Frankfurt M. 2002. ISBN 3-596-15362-X
• James D. Watson: Die Doppelhelix. Rowohlt, Reinbek 1997. ISBN 3-499-60255-5
• James D. Watson: Gene, Girls und Gamov. Piper, München 2003. ISBN 3-492-04428-X
• James D. Watson: Am Anfang war die Doppelhelix. Ullstein, Berlin 2003. ISBN 3-550-07566-9
• James D. Watson, M. Gilman, J. Witkowski, M. Zoller: Rekombinierte DNA. 2. Aufl., Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1993. ISBN 3-86025-072-8
• Rolf Knippers: Molekulare Genetik. 9. Aufl., G.Thieme Verlag, Stuttgart 2006. ISBN 3-134-77009-1
• Thomas Lindahl: Instability and decay of the primary structure of DNA. In: Nature. Nr.362, 1993, 709-715. ISSN 0028-0836
• W. Wayt Gibbs: Preziosen im DNA-Schrott. In: Spektrum der Wissenschaft. Nr. 2, 2004, 68–75. ISSN 0170-2971
• W. Wayt Gibbs: DNA ist nicht alles. In: Spektrum der Wissenschaft. Nr. 3, 2004, 68–75. ISSN 0170-2971