DNA-Replikation und -Reparatur

Bevor eine Zelle sich teilt, kopiert sie ihr gesamtes Genom mit bemerkenswerter Genauigkeit, und ein Netzwerk von Reparatursystemen korrigiert kontinuierlich die Schäden und Fehler, die andernfalls die vererbte Sequenz verändern würden.

Definition

Die DNA-Replikation ist die semikonservative Kopie des Genoms, bei der jeder Elternstrang als Matrize für einen neuen komplementären Strang dient, und die DNA-Reparatur ist die Gesamtheit der enzymatischen Wege, die Schäden und Replikationsfehler erkennen und korrigieren.

Scope

Dieses Thema behandelt die semikonservative Replikation und das Meselson-Stahl-Experiment, die Replikationsgabel mit ihren Leit- und Folgesträngen sowie Okazaki-Fragmenten, die Rollen von DNA-Polymerasen, Helikase, Primase und Ligase, das Proofreading und die Replikationsgenauigkeit sowie die wichtigsten Reparaturwege einschließlich Mismatch-Reparatur, Basen- und Nukleotid-Exzisionsreparatur und Doppelstrangbruch-Reparatur. Es wird behandelt, wie die Sequenz kopiert und erhalten wird; wie sich die Sequenz trotz dieser Systeme ändert, wird unter Mutation behandelt.

Core questions

• Wie hat das Meselson-Stahl-Experiment gezeigt, dass die Replikation semikonservativ ist?
• Warum müssen die beiden Stränge an einer Replikationsgabel unterschiedlich synthetisiert werden?
• Wie erreichen Proofreading und Mismatch-Reparatur die sehr niedrige Fehlerrate des Genoms?
• Welche Reparaturwege behandeln welche Arten von DNA-Schäden?

Key concepts

• Semikonservative Replikation und das Meselson-Stahl-Experiment
• Replikationsgabel, Leit- und Folgestränge, Okazaki-Fragmente
• DNA-Polymerasen, Helikase, Primase und Ligase
• Proofreading und Replikationsgenauigkeit
• Mismatch-, Exzisions- und Doppelstrangbruch-Reparatur

Mechanisms

Die Helikase entwindet den Duplex, die Primase legt RNA-Primer an, und die DNA-Polymerase verlängert neue Stränge von Fünf-Strich nach Drei-Strich, kontinuierlich am Leitstrang und als Okazaki-Fragmente, die später durch die Ligase am Folgestrang verbunden werden; die Polymerase-Korrekturlesefunktion und die Mismatch-Reparatur nach der Replikation halten zusammen mit den Exzisionswegen für chemische und ultraviolette Schäden die Mutationsraten extrem niedrig.

Clinical relevance

Defekte in der DNA-Reparatur verursachen Erbkrankheiten und Krebsprädispositionen, wie Xeroderma pigmentosum aufgrund fehlerhafter Nukleotid-Exzisionsreparatur und Lynch-Syndrom aufgrund von Mismatch-Reparaturdefizienz, während Replikationsenzyme die Grundlage für die DNA-Amplifikation im Labor bilden.

History

Meselson und Stahl bestätigten 1958 die semikonservative Replikation unter Verwendung von dichte-markierter DNA, Kornberg isolierte die erste DNA-Polymerase, und die in den späten 1960er Jahren entdeckten Okazaki-Fragmente klärten, wie der Folgestrang gebildet wird; die Reparaturwege wurden in den folgenden Jahrzehnten schrittweise durch bakterielle und humane Genetik kartiert.

Key figures

• Matthew Meselson
• Franklin Stahl
• Arthur Kornberg
• Reiji Okazaki

Seminal works

• meselsonStahl1958

Frequently asked questions

Was sind Okazaki-Fragmente?

Es sind die kurzen DNA-Abschnitte, die diskontinuierlich am Folgestrang synthetisiert werden, da dieser Strang nur in der entgegengesetzten Richtung zur Gabelbewegung gebildet werden kann; ein Enzym namens DNA-Ligase verbindet sie später zu einem kontinuierlichen Strang.

Wie hält die Zelle die Replikation so genau?

DNA-Polymerasen korrekturlesen während der Synthese, indem sie falsch gepaarte Nukleotide entfernen, und ein separates Mismatch-Reparatursystem scannt anschließend die neu gebildete DNA, wodurch die Fehlerrate zusammen auf etwa einen Fehler pro Milliarde Basen reduziert wird.