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Die wesentlichen Schritte der Replikation sind die gleichen wie bei Prokaryoten. Der Beginn der Replikation ist bei Eukaryonten komplexer. Am Ursprung der Replikation wird ein Prä-Replikationskomplex mit anderen Initiatorproteinen gebildet. Anschließend werden andere Proteine rekrutiert, um den Replikationsprozess zu starten. Der Gesamtprozess ist derselbe, auch wenn unterschiedlich benannte Enzyme die gleiche Funktion erfüllen. So wird z. B. DNA pol III für den Großteil der Replikation bei Prokaryonten verwendet, während bei Eukaryonten der vordere Strang kontinuierlich durch das Enzym pol δ synthetisiert wird, während der hintere Strang durch pol ε synthetisiert wird. Wir konzentrieren uns auf die Enzyme, die bei der prokaryotischen Replikation verwendet werden, also machen Sie sich keine Gedanken über diese Namensunterschiede.

Hier sind die wichtigen Unterschiede zwischen prokaryotischer und eukaryotischer Replikation:

Tabelle 1: Unterschiede zwischen prokaryotischer und eukaryotischer Replikation

Eigenschaft	Prokaryoten	Eukaryoten
Ursprung der Replikation	Einfach	Mehrfach
Rate der Replikation	1000 Nukleotide/s	50 bis 100 Nukleotide/s
DNA Polymerase-Typen	5	14
DNA-Verpackung	Supercoiling	um Histone gewickelt
Telomerase	Nicht vorhanden	vorhanden

Ursprünge und Replikationsrate

Eukaryotische Genome sind viel komplexer und größer als prokaryotische Genome. Das menschliche Genom hat drei Milliarden Basenpaare pro haploidem Chromosomensatz, und 6 Milliarden Basenpaare werden während der S-Phase des Zellzyklus repliziert. Das bedeutet, dass es auf dem eukaryontischen Chromosom mehrere Replikationsursprünge geben muss, damit die gesamte DNA rechtzeitig repliziert werden kann; beim Menschen kann es bis zu 100.000 Replikationsursprünge geben. Die Replikationsrate beträgt etwa 100 Nukleotide pro Sekunde und ist damit wesentlich langsamer als bei Prokaryonten.

DNA-Polymerase-Typen

Die Zahl der DNA-Polymerasen bei Eukaryonten ist wesentlich höher als bei Prokaryonten: 14 sind bekannt, von denen fünf eine wichtige Rolle bei der Replikation spielen und gut erforscht sind. Sie heißen pol α, pol β, pol γ, pol δ und pol ε. Ich werde Sie nie nach den Namen dieser Polymerasen fragen – lernen Sie die Namen der prokaryotischen Polymerasen.

DNA-Verpackung

Eukaryotische DNA ist um Proteine, die sogenannten Histone, gewickelt und bildet Strukturen, die Nukleosomen genannt werden. Die DNA muss zugänglich gemacht werden, damit die DNA-Replikation stattfinden kann. Das Chromatin (der Komplex zwischen DNA und Proteinen) kann chemisch verändert werden, so dass die DNA von den Histonen abgleiten kann oder auf andere Weise für die Enzyme der DNA-Replikationsmaschinerie zugänglich wird. Prokaryoten verpacken ihre DNA nicht, indem sie sie um Histone wickeln.

Telomere Replikation

Im Gegensatz zu prokaryotischen Chromosomen sind eukaryotische Chromosomen linear. Wie Sie gelernt haben, kann das Enzym DNA pol Nukleotide nur in der Richtung 5′ zu 3′ hinzufügen. Im vorderen Strang wird die Synthese fortgesetzt, bis das Ende des Chromosoms erreicht ist. Auf dem nacheilenden Strang wird die DNA in kurzen Abschnitten synthetisiert, von denen jeder durch einen separaten Primer eingeleitet wird. Wenn die Replikationsgabel das Ende des linearen Chromosoms erreicht, gibt es keinen Platz mehr für einen Primer, der für das zu kopierende DNA-Fragment am Ende des Chromosoms verwendet werden könnte. Diese Enden bleiben also ungepaart und können im Laufe der Zeit immer kürzer werden, wenn sich die Zellen weiter teilen.

Die Enden der linearen Chromosomen werden als Telomere bezeichnet, die sich wiederholende Sequenzen aufweisen, die nicht für ein bestimmtes Gen kodieren. Diese Telomere schützen die Gene, die sich auf dem Chromosom befinden, davor, bei der weiteren Teilung der Zellen gelöscht zu werden. Beim Menschen wird eine Sequenz von sechs Basenpaaren, TTAGGG, 100 bis 1000 Mal wiederholt. Die Entdeckung des Enzyms Telomerase (Abbildung 1) trug dazu bei, zu verstehen, wie die Chromosomenenden erhalten werden. Das Telomerase-Enzym enthält einen katalytischen Teil und eine eingebaute RNA-Vorlage. Es heftet sich an das Ende des Chromosoms, und komplementäre Basen zur RNA-Vorlage werden an das 3′-Ende des DNA-Strangs angefügt. Sobald das 3′-Ende der schleppenden Strangvorlage ausreichend verlängert ist, kann die DNA-Polymerase die zu den Enden der Chromosomen komplementären Nukleotide hinzufügen. Auf diese Weise werden die Enden der Chromosomen repliziert.

Telomerase ist typischerweise in Keimzellen und adulten Stammzellen aktiv. In erwachsenen somatischen Zellen ist sie nicht aktiv. Für ihre Entdeckung der Telomerase und ihrer Wirkung erhielt Elizabeth Blackburn (Abbildung 2) 2009 den Nobelpreis für Medizin und Physiologie.

Telomerase und Alterung

Zellen, die eine Zellteilung durchlaufen, haben weiterhin verkürzte Telomere, da die meisten somatischen Zellen keine Telomerase bilden. Das bedeutet, dass die Verkürzung der Telomere mit dem Alterungsprozess verbunden ist. Mit dem Aufkommen der modernen Medizin, der präventiven Gesundheitsfürsorge und einer gesünderen Lebensweise hat sich die Lebensspanne der Menschen verlängert, und es besteht ein zunehmender Bedarf an einem jüngeren Aussehen und einer besseren Lebensqualität, wenn sie älter werden.

Im Jahr 2010 fanden Wissenschaftler heraus, dass Telomerase einige altersbedingte Erkrankungen bei Mäusen rückgängig machen kann. Dies könnte ein Potenzial für die regenerative Medizin haben (Jaskelioff, 2011). Für diese Studien wurden Telomerase-defiziente Mäuse verwendet, die an Gewebeatrophie, Stammzelldepletion, Versagen von Organsystemen und beeinträchtigter Reaktion auf Gewebeverletzungen leiden. Die Reaktivierung der Telomerase führte bei diesen Mäusen zu einer Verlängerung der Telomere, verringerte die DNA-Schäden, kehrte die Neurodegeneration um und verbesserte die Funktion der Hoden, der Milz und des Darms. Somit könnte die Reaktivierung von Telomeren das Potenzial haben, altersbedingte Krankheiten beim Menschen zu behandeln.

Krebs ist durch unkontrollierte Zellteilung abnormaler Zellen gekennzeichnet. Die Zellen häufen Mutationen an, vermehren sich unkontrolliert und können durch einen Prozess, der als Metastasierung bezeichnet wird, in andere Teile des Körpers wandern. Wissenschaftler haben beobachtet, dass Krebszellen erheblich verkürzte Telomere haben und dass die 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 durch Medikamente während der Krebstherapie gehemmt werden kann, dann könnten die Krebszellen möglicherweise an der weiteren Teilung gehindert werden.