Biologie I

Eukaryotische Genome sind viel komplexer und größer als prokaryotische Genome. Das menschliche Genom hat drei Milliarden Basenpaare pro haploiden Chromosomensatz, und 6 Milliarden Basenpaare werden während der S-Phase des Zellzyklus repliziert. Es gibt mehrere Replikationsursprünge auf dem eukaryotischen Chromosom; Menschen können bis zu 100.000 Replikationsursprünge haben. Die Replikationsrate beträgt ungefähr 100 Nukleotide pro Sekunde, viel langsamer als die prokaryotische Replikation. In Hefe, die ein Eukaryote ist, werden spezielle Sequenzen, die als autonom replizierende Sequenzen (ARS) bekannt sind, auf den Chromosomen gefunden. Diese entsprechen dem Replikationsursprung in E. coli.

Die Anzahl der DNA-Polymerasen in Eukaryoten ist viel höher als in Prokaryoten: 14 sind bekannt, von denen fünf bekanntermaßen eine wichtige Rolle bei der Replikation spielen und gut untersucht wurden. Sie sind als pol α, pol β, pol γ, pol δ und pol ε bekannt.

Die wesentlichen Schritte der Replikation sind die gleichen wie bei Prokaryoten. Bevor die Replikation beginnen kann, muss die DNA als Template zur Verfügung gestellt werden. Eukaryotische DNA ist an basische Proteine gebunden, die als Histone bekannt sind, um Strukturen zu bilden, die als Nukleosomen bezeichnet werden. Das Chromatin (der Komplex zwischen DNA und Proteinen) kann einige chemische Modifikationen erfahren, so dass die DNA von den Proteinen abrutschen oder für die Enzyme der DNA-Replikationsmaschinerie zugänglich sein kann. Am Ursprung der Replikation wird ein Präreplikationskomplex mit anderen Initiatorproteinen hergestellt. Andere Proteine werden dann rekrutiert, um den Replikationsprozess zu starten (Tabelle).

Eine Helikase, die die Energie der ATP-Hydrolyse nutzt, öffnet die DNA-Helix. Replikationsgabeln werden an jedem Replikationsursprung gebildet, wenn sich die DNA abwickelt. Das Öffnen der Doppelhelix verursacht eine Überwicklung oder Superwicklung in der DNA vor der Replikationsgabel. Diese werden unter Einwirkung von Topoisomerasen aufgelöst. Primer werden durch das Enzym Primase gebildet, und unter Verwendung des Primers kann DNA pol die Synthese starten. Während der führende Strang kontinuierlich durch das Enzym pol δ synthetisiert wird, wird der nachlaufende Strang durch pol ε synthetisiert. Ein gleitendes Klemmprotein, das als PCNA (proliferierendes Zellkernantigen) bekannt ist, hält den DNA-Pol an Ort und Stelle, so dass er nicht von der DNA rutscht. RNase H entfernt den RNA-Primer, der dann durch DNA-Nukleotide ersetzt wird. Die Okazaki-Fragmente im nacheilenden Strang werden nach dem Austausch der RNA-Primer durch DNA miteinander verbunden. Die verbleibenden Lücken werden durch DNA-Ligase verschlossen, die die Phosphodiesterbindung bildet.

Im Gegensatz zu prokaryotischen Chromosomen sind eukaryotische Chromosomen linear. Wie Sie gelernt haben, kann das Enzym DNA pol Nukleotide nur in der 5 ‚bis 3′ Richtung hinzufügen. Im führenden Strang wird die Synthese fortgesetzt, bis das Ende des Chromosoms erreicht ist. Auf dem nacheilenden Strang wird DNA in kurzen Abschnitten synthetisiert, von denen jede durch einen separaten Primer initiiert wird. Wenn die Replikationsgabel das Ende des linearen Chromosoms erreicht, kann kein Primer für das DNA-Fragment hergestellt werden, das am Ende des Chromosoms kopiert werden soll. Diese Enden bleiben somit ungepaart, und im Laufe der Zeit können diese Enden immer kürzer werden, wenn sich die Zellen weiter teilen.Die Enden der linearen Chromosomen sind als Telomere bekannt, die repetitive Sequenzen aufweisen, die für kein bestimmtes Gen kodieren. In gewisser Weise schützen diese Telomere die Gene davor, gelöscht zu werden, wenn sich die Zellen weiter teilen. Beim Menschen wird eine Sequenz mit sechs Basenpaaren, TTAGGG, 100 bis 1000 Mal wiederholt. Die Entdeckung des Enzyms Telomerase (Abbildung) half beim Verständnis, wie Chromosomenenden erhalten bleiben. Das Telomeraseenzym enthält einen katalytischen Teil und ein eingebautes RNA-Template. Es bindet an das Ende des Chromosoms, und komplementäre Basen zur RNA-Schablone werden am 3′-Ende des DNA-Strangs hinzugefügt. Sobald das 3‘-Ende der verzögerten Strangschablone ausreichend verlängert ist, kann DNA-Polymerase die Nukleotide hinzufügen, die zu den Enden der Chromosomen komplementär sind. Somit werden die Enden der Chromosomen repliziert.

Telomerase ist typischerweise in Keimzellen und adulten Stammzellen aktiv. Es ist in adulten Körperzellen nicht aktiv. Für ihre Entdeckung der Telomerase und ihrer Wirkung erhielt Elizabeth Blackburn (Abbildung) 2009 den Nobelpreis für Medizin und Physiologie.

Telomerase und Alterung

Zellen, die sich einer Zellteilung unterziehen, haben weiterhin verkürzte Telomere, da die meisten Körperzellen keine Telomerase bilden. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass die Telomerverkürzung mit dem Altern verbunden ist. Mit dem Aufkommen der modernen Medizin, der Gesundheitsvorsorge und eines gesünderen Lebensstils hat sich die menschliche Lebensdauer verlängert, und es besteht eine zunehmende Nachfrage nach Menschen, die jünger aussehen und mit zunehmendem Alter eine bessere Lebensqualität haben.

Im Jahr 2010 fanden Wissenschaftler heraus, dass Telomerase einige altersbedingte Zustände bei Mäusen umkehren kann. Dies kann Potenzial in der regenerativen Medizin haben.1 Telomerase-defiziente Mäuse wurden in diesen Studien verwendet; Diese Mäuse haben Gewebsatrophie, Stammzelldepletion, Organsystemversagen und beeinträchtigte Gewebeverletzungsreaktionen. Die Telomerase-Reaktivierung in diesen Mäusen verursachte eine Verlängerung der Telomere, reduzierte DNA-Schäden, kehrte die Neurodegeneration um und verbesserte die Funktion von Hoden, Milz und Darm. Daher kann die Telomerreaktivierung ein Potenzial zur Behandlung altersbedingter Erkrankungen beim Menschen haben.

Krebs ist durch unkontrollierte Zellteilung abnormaler Zellen gekennzeichnet. Die Zellen akkumulieren Mutationen, vermehren sich unkontrolliert und können durch einen als Metastasierung bezeichneten Prozess in verschiedene Körperteile wandern. Wissenschaftler haben beobachtet, dass Krebszellen Telomere erheblich verkürzt haben und dass Telomerase in diesen Zellen aktiv ist. Interessanterweise wurde die Telomerase erst aktiv, nachdem die Telomere in den Krebszellen verkürzt worden waren. Wenn die Wirkung der Telomerase in diesen Zellen während der Krebstherapie durch Medikamente gehemmt werden kann, könnte die weitere Teilung der Krebszellen möglicherweise gestoppt werden.

Difference between Prokaryotic and Eukaryotic Replication
Property	Prokaryotes	Eukaryotes
Origin of replication	Single	Multiple
Rate of replication	1000 nucleotides/s	50 to 100 nucleotides/s
DNA polymerase types	5	14
Telomerase	Not present	Present
RNA primerentfernung	DNA pol I	RNase H
Strangverlängerung	DNA pol III	Pol δ, pol ε
Gleitklemme	Gleitklemme	PCNA

Zusammenfassung des Abschnitts

Die Replikation in Eukaryoten beginnt an mehreren Ursprüngen der Replikation. Der Mechanismus ist den Prokaryoten ziemlich ähnlich. Ein Primer ist erforderlich, um die Synthese zu initiieren, die dann durch DNA-Polymerase verlängert wird, da sie der wachsenden Kette nacheinander Nukleotide hinzufügt. Der führende Strang wird kontinuierlich synthetisiert, während der nacheilende Strang in kurzen Abschnitten synthetisiert wird, die als Okazaki-Fragmente bezeichnet werden. Die RNA-Primer werden durch DNA-Nukleotide ersetzt; Die DNA bleibt ein kontinuierlicher Strang, indem die DNA-Fragmente mit DNA-Ligase verknüpft werden. Die Enden der Chromosomen stellen ein Problem dar, da die Polymerase sie ohne Primer nicht verlängern kann. Telomerase, ein Enzym mit einer eingebauten RNA-Schablone, verlängert die Enden, indem es die RNA-Schablone kopiert und ein Ende des Chromosoms verlängert. DNA-Polymerase kann dann die DNA mit dem Primer verlängern. Auf diese Weise werden die Enden der Chromosomen geschützt.

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