Chromatin & Replikation

-> DNA-Polymerase: synthetisiert DNA

-> DNA-Helikase: trennt DNA in zwei Einzelstränge

-> Primase: synthetisiert RNA-Primer (kann nicht de novo synthetisieren → Primer)

-> Ligase: verknüpft DNA-Enden

-> Topoisomerase: löst DNA-Überwindungen auf

(Einzahlstrangbindeprotein, Strukturproteine, Hilfsproteine, Proteine des Replikationsursprungs, ...)

Allgemeine Merkmale:

• lauft in 3’-5’-Richtung

• Synthese (erzeugt neuen Strang) 5’-3’-Richtung

• benotigt Vorlage (“template”)

• benotigt Primer

• benotogt divalente Metale (i.d.R. Mg2+)

• 15-20 verschiedener DNA-Polymerasen

• einigermassen konservativ

Energie: z.B. ATP —> ADP

1. Ausgangsstoff = NDPs

   • Das sind normale Nukleotide mit zwei Phosphatgruppen, für RNA gedacht (z.B. ADP, GDP)

   • enthalten Ribose, also noch nicht geeignet für DNA!

2. Ribonukleotid-Reduktase

   • entfernt ein Sauerstoffatom an der Ribose

   • Aus Ribose wird Desoxyribose

   • jetzt haben wir dNDPs (z. B. dADP, dGDP) —> DNA-Bausteine, aber noch mit nur 2 Phosphaten

3. Nukleosid-Diphosphat-Kinase (und ATP)

   • hängt eine dritte Phosphatgruppe an

   • Das geht mit Energie aus ATP

   • Aus dNDPs werden dNTPs (z. B. dATP, dTTP, dCTP, dGTP)

= beginnt die Replikation, indem sie einen Primer herstellt

Primer:

—> kurzes Stück RNA (meist 10–12 Nukleotide), das der DNA-Polymerase zeigt, wo sie anfangen soll

—> muss spater wieder entfernt werden und durch DNA ersetzt

ist semi-konservativ

= Jede neue DNA besteht aus einem alten Strang (Mutterstrang) und einem neu gebildeten Strang

Prozess:

1. Startpunkt

   • Die DNA wird an einem bestimmten Punkt geöffnet – dort startet die Replikation.

   • Das Ergebnis ist eine Replikationsgabel (wie im Bild: ein Y-förmiger Bereich

2. Helikase

   • Trennt den Doppelstrang durch Aufbrechen der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren.

   • Es entstehen zwei Einzelstränge: → sie dienen als Matrizen (= Vorlage) für die neuen Tochterstränge

   • Das Auftrennen der DNA durch die Helikase braucht Energie → kommt von ATP → ADP

3. Primase

   • Diese Enzym macht einen RNA-Primer (kurzes RNA-Stück) auf jeden neuen Strang

4. DNA-Polymerase

   • Diese Enzym verlängert den Primer, indem es Nukleotide anfügt.

   • Sie arbeitet immer in 5' → 3' Richtung

5. Entfernung von Primer

   • RNase H entfernt die RNA-Primer

   • DNA-Polymerase I ersetzt sie durch DNA

ist semi-dikontinuierlich

= eine Seite läuft durch, die andere nur stückweise

Prozess:

1. Synthese des Folgestrangs (Lagging Strand)

   • Der Folgestrang ist gegenläufig zur Gabelbewegung, daher:

     • Mehrere RNA-Primer werden stückweise gesetzt.

     • Die Polymerase synthetisiert kurze Fragmente (ca. 100–200 Nukleotide bei Eukaryoten) → sogenannte Okazaki-Fragmente

2. Entfernen der RNA-Primer

   • Die RNA-Primer werden durch spezielle Nukleasen abgebaut.

3. Auffüllen der Lücken

   • Eine DNA-Polymerase füllt die Lücken, die durch das Entfernen der Primer entstanden sind, mit DNA-Nukleotiden auf.

4. Verknüpfung der Okazaki-Fragmente

   • Das Enzym Ligase verknüpft die einzelnen DNA-Stücke → es entsteht ein durchgehender DNA-Strang auf dem Folgestrang.

Bedeutung:

• DNA wird bei der Replikation nicht sofort als kompletter Doppelstrang synthetisiert.

• Stattdessen entstehen zunächst kurze Fragmente, die erst später zu längeren, stabilen Doppelsträngen verarbeitet werden.

• Dieses Ergebnis spricht für die Existenz von Replikationsintermediaten wie Okazaki-Fragmenten auf dem Folgestrang

—> Die DNA-Ligase aktiviert den 5'-Phosphat-Ende, mithilfe von ATP oder NAD⁺

—> Die 3'-OH-Gruppe greift das aktivierte Phosphat an.

—> Eine neue Phosphodiesterbindung entsteht

=> bei Folgestrang

wie lauft es sterisch ab?

—> alle Untereiheiten sind Zusammen verbunden; es ist ein grosser Proteinkomplex

Losung:

—> DNA machte eine Schleife

1. Dadurch kann die Polymerase auf dem Folgestrang ebenfalls in 5'→3'-Richtung arbeiten – nur eben auf einem zurückgefalteten DNA-Stück.

2. So bleiben beide Polymerasen dicht nebeneinander, obwohl sie an gegensätzlichen Strängen arbeiten.

3. Es entstehen Okazaki-Fragmente, die später verbunden werden

4. Prozessivitätsfaktoren und Strukturproteine

   • Grüne Kugeln = Prozessivitätsfaktoren (z. B. β-Klemme, PCNA), die die Polymerase am Strang halten.

   • Graue Form = Struktur-/Hilfsproteine, die den Komplex stabilisieren und koordinieren.

1. Replikationursprung

   • Die Replikation beginnt an einer spezifischen DNA-Sequenz: OriC

2. Aufbau des Replisoms (Replikationskomplexes)

   • großer Proteinkomplex (Helikase, Primase, Polymerase)

3. Bidirektionale DNA-Synthese

   • An beiden Gabeln wird die DNA gleichzeitig repliziert:

     • Der Leitstrang wird kontinuierlich synthetisiert.

     • Der Folgestrang diskontinuierlich in Okazaki-Fragmenten.

   • Durch die bidirektionale Bewegung vergrößert sich die Replikationsblase immer mehr

4. Termination (nicht im Bild, aber wichtig)

   • Die Gabeln treffen sich am gegenüberliegenden Punkt des Kreises – bei der ter-Region (Termination site).

   • Dort wirken spezielle Proteine (Tus) als „Stoppschilder“ und verhindern, dass die Gabeln unkontrolliert weiterlaufen

= verhindert, dass sich die DNA beim Entwinden verheddert oder überdreht

—> DNA-Helix windet sich um sich selbst

—> Topoisomerasen relaxieren DNA

= Ein Komplex aus DNA und Proteinen im Zelkern

Besteht aus:

• Histonproteinen (H1, H2A, H2B, H3, H4)

  • basisch geladen, hochkondensiert

  • Aufg. von H1: Kompaktierung (beeinflusst Position von Nukleosomen

    zueinander), Abstand, Genomstabilität, Genregulation

  • Nicht-Histon-Proteinen (HMG, ...)

• Histonvarianten (H2A-X, H2A-Z ….)

—> Verpackung von DNA

—> Schutz

—> Regulation von DNA Prozessen (Transkription)

—> Trager epigenetischer Info.

= die Aminosäuresequenz von Protein hat sich über sehr lange evolutionäre Zeiträume kaum verändert – bei allen Lebewesen sehr ähnlich ist

= Komplex aus 8 Histon Proteine

—> kleinste strukturelle Einheit der DNA-Verpackung in eukaryotischen Zellen. Man nennt es auch „Beads on a string“, weil es unter dem Elektronenmikroskop so aussieht.

Aufg:

• Kompaktierung

• Abstand

• Genomstabilitat

• Genregukation

1. Zugänglichkeit von DNA-Sequenzen (Verpackungsgrad regulieren)

2. Interaktionsstellen für Proteine durch Modifikation von Histonen (chem. Veränderung) —> Proteine binden

3. Histonvarianten

4. DNA-Methylierung

= beschäftigt sich mit der epigenetischen Vererbung, d.h. der Weitergabe von Eigenschaften auf die Nachkommen, die nicht auf Abweichungen in der DNA-Sequenz zurückgehen, sondern auf eine vererbbare Änderung der Genregulation und Genexpression

—> Die Basenabfolge bleibt gleich.

—> Aber: Gene könnenein- oder ausgeschaltet werden – z. B. durch chemische Markierungen

—> Molekulare Grundlage: kovalente Modifikationen der DNA und der Histone

Mechanismen: