Mechanismus

Die wesentlichen Vorgänge in der Replikationsgabel in Bakterien:

	Die DNA-B-Helicase bewegt sich in 5'-3'-Richtung entlang des Stranges, an den sie gebunden ist und entwindet die Doppelhelix unter Verbrauch von ATP.
	Die entstehenden Einzelstrang-Bereiche werden durch Einzelstrang-bindende-Proteine (SSB-Proteine) abgedeckt.
	Die DNA-Polymerase III heftet auf dem Leitstrang (Vorwärtsstrang) neue Desoxynukleotide an das 3'-OH-Ende des wachsenden DNA-Stranges.
	Auf dem Folgestrang (Rückwärtsstrang) bildet die Primase kurze RNA-Stücke (Primer), welche durch die DNA-Polymerase III zu Fragmenten von 1000-2000 Nukleotiden verlängert werden. Die Primer werden von der 5'-3'-Exonuclease der Polymerase I entfernt und die entstehenden Lücken durch DNA ersetzt
	Die DNA-Ligase verknüpft aufeinanderfolgende Okazaki-Fragmente miteinander.

Einfaches Schema:

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Initiation

Bei einer Replikationsgabel handelt es sich um eine DNA-Region, in welcher sich die beiden Elternstränge voneinander getrennt haben, um als Matrize für die DNA-Synthese zu dienen. Sie entstehen an besonderen DNA-Sequenzen, den Replikations-Startpunkten (Origins), welche um die 300 Nukleotide lang sind.

Initiator-Protein-Komplexe binden an spezifische Stellen am Replikationsstartpunkt. Sie bilden einen grossen Proteinkomplex, welcher die DNA-Helicase bindet und sie zu einem freiliegenden DNA-Einzelstrang dirigiert. Zusätzlich bindet die RNA-Primase und bildet mit der Helicase das Primosom, welches sich dann vom Startpunkt wegbewegt und RNA-Primer für die erste DNA-Kette bildet. Daraufhin lagern sich rasch die übrigen Proteine zu einem Replikations-Proteinkomplex zusammen, der sich vom Startpunkt wegbewegt und zwei neue DNA-Stränge (kontinuierlich/diskontinuierlich) synthetisiert.

Schema: der Bildung der Replikationsgabel

DNA-Replikationsgabeln werden bei Bakterien an speziellen DNA-Sequenzen initiiert. Von diesen Punkten aus bewegen sich zwei Replikationsgabeln in entgegengesetzter Richtung mit einer Geschwindigkeit von etwa 500 Nukleotiden pro Sekunde. Das Genom der Bakterien ist so klein, dass diese zwei Replikationsgabeln das gesamte Chromosom innerhalb von weniger als 40 Minuten replizieren können.

Bei den Eukaryonten ist die DNA im Kern als Chromatin organisiert ist. Deshalb wird die Replikation der DNA von Veränderungen in der Chromatinstruktur begleitet:

	Entfaltung des Chromatins in der Umgebung der Replikationsgabeln
	Nucleosomen unmittelbar vor der Replikationsgabel verlieren ihre Histon H2A/H2B-Dimere, während die verbleibenden Histon H3/H4-Tetramere auf die neu replizierte DNA übertragen werden. Hinter der Replikationsgabel werden die Tetramere durch Aufnahme von Histon H2A/H2B wieder zu intakten Nucleosomen zusammengefügt.
	Auf der alten DNA werden neu gebildete Histone H3/H4 mit den H2A/H2B Histonen zusammengebaut und neue Nucleosomen gebildet. Somit sind die Nucleosomen auf der replizierten DNA zur Hälfte aus den alten Histonen (des parentalen Stranges) und aus neu gebildeten Histonen zusammengesetzt.

Die Geschwindigkeit mit der sich die Replikationsgabel von Eukaryonten bewegt, liegt bei ca. 50 Nukleotiden pro Sekunde, und das Genom ist etwa 1000 mal grösser. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Replikation von mehreren Replikationsstartpunkten aus zu beginnen, da die Replikation sonst mehrere Wochen dauern würde:

1.	Es werden immer mehrere Initiationspunkte aktiviert.
2.	Die Initiationspunkte haben einen Abstand von 30'000 - 300'000 Basenpaaren
3.	Die Replikationsgabeln bewegen sich von einem gemeinsamen Startpunkt weg und stoppen, wenn sie mit einer anderen Replikationsgabel zusammenprallen. Auf diese Weise können viele Replikationsgabeln gleichzeitig und unabhängig auf jedem Chromosom operieren und dabei zwei komplette Tochter-DNA-Helices synthetisieren.

Schema: DNA-Replikation bei Eukaryonten

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Termination

Prokaryoten: Bei der Termination treffen am Terminator zwei Replikationsgabeln aufeinander. Dadurch kann es bei ringförmiger DNA (E. coli) zur Ausbildung von sog. Catenan-Strukturen kommen. Der Terminator liegt gegenüber dem Origin. An die Terminatorsequenz bindet das Protein Tus (terminator utilization substance), das die DNA-Helicase blockiert und damit die Wanderung der Replikationsgabeln zum Stillstand bringt.
Die beiden Nachkommen-DNA hängen noch über einen unreplizierten Abschnitt zusammen. Dieser kann direkt durch die Einwirkung einer Topoisomerase gelöst werden. Die entstehenden Lücken werden sofort aufgefüllt (Schema).

Hinweis: Im Atelier können Sie sich das Video "Replikation" ansehen.

Oft beobachtet man aber eine weitergehende DNA-Synthese mit der Ausbildung von Catenanen (ineinander verhängte Ringe). Zur Auflösung der Catenane und zur Freisetzung der replizierten DNA ist die Typ-II-Topoisomerase notwendig (Mechanismus).

Eukaryoten: Telomere und Telomerase: Da eukaryontische Chromosomen linear sind, stellt die Replikation der Enden ein besonderes Problem dar. Eine einfache Überlegung zeigt, dass die von Primern vermittelte diskontinuierliche DNA-Synthese quasi automatisch zu einem Verlust endständiger DNA führen muss, weil zumindest der DNA-Abschnitt, an dem die Synthese des letzten RNA-Primers stattfindet, unrepliziert bleiben muss.

Die Lösung dieses Problems ist durch die besondere Struktur der Chromosomen-Enden (Telomere) möglich:
Telomere bestehen aus Folgen kurzer repetitiver DNA-Sequenzen. An den Enden der Chromosomen des Menschen und anderer Vertebraten findet man viele hundert bis über tausend 6-Nukleotid-Blöcke vor: z.B. die Folge 5'-TTAGGG-3' in monotonen Wiederholungen auf dem einen DNA-Strang und die entsprechende Komplementär-Sequenz auf dem anderen DNA-Strang. Die Telomere werden im Verlauf der vielen Replikationsrunden von normalen Säugetierzellen in Zellkultur und im Tier kürzer. Es handelt sich dabei um einen normalen und unvermeidlichen Alterungsprozess. Reifende Geschlechtszellen, Embryonalzellen, Zellen aus Tumoren und alle schnell proliferierenden Zellen dagegen enthalten ein Enzym, das den Abbau der Telomerenden ausgleicht. Das Enzym heisst Telomerase.
Telomerase besteht aus zwei funktionellen Teilen, einem Proteinanteil und einer RNA von etwa 160 Basen. Die RNA enthält einen Sequenzabschnitt, der mit den Telomer-Wiederholungen Basenpaare ausbilden kann. Die RNA dient gleichsam als wandernde Matrize für die Synthese von Telomeren, wie aus dem folgenden Reaktionsablauf hervorgeht:

	Es bilden sich Basenpaare zwischen dem überstehenden DNA-Ende und der Telomerase-RNA
	Desoxynukleotide werden an das 3'-OH-Ende der DNA nach Massgabe der Matrizensequenz in der RNA angeheftet
	Es findet eine Translokation der Telomerase mit der Bereitstellung neuer Matrizensequenzen statt

Abbildung zum Reaktionsablauf

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