RNA-Primer, Leitstrang und Folgestrang
Wie die Primase mit RNA-Primern jede DNA-Synthese startet und warum der Leitstrang am Stück, der Folgestrang dagegen in Okazaki-Fragmenten entsteht.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Primase ist eine DNA-abhängige RNA-Polymerase, die kurze RNA-Primer aus Ribonucleotiden bildet und damit jeden neuen DNA-Abschnitt startet.
- Die DNA-Polymerase braucht ein freies 3’-OH-Ende und verlängert den Primer mit Desoxyribonucleotiden; der RNA-Anteil wird später abgebaut und durch DNA ersetzt.
- Auch der Leitstrang braucht einen Primer; der Folgestrang braucht viele, je einen pro Okazaki-Fragment.
- Die Replikation ist semidiskontinuierlich: Der Leitstrang wächst kontinuierlich in Gabelrichtung, der Folgestrang diskontinuierlich gegen sie, weil die Stränge antiparallel sind und nur 5’→3’ synthetisiert wird.
- Okazaki-Fragmente bestehen aus einem RNA-Primer am 5’-Ende und anschließender DNA, kommen bei Bakterien und Eukaryoten vor und treten bei der Transkription nicht auf.
Worum es geht
Die DNA-Polymerase kann einen neuen Strang nicht selbst beginnen und baut nur in 5’→3’-Richtung. Aus diesen zwei Einschränkungen folgen die RNA-Primer und die ungleiche Synthese der beiden Tochterstränge. Das ist Grundwissen für das Verständnis der Replikation, an der viele Virustatika und Zytostatika angreifen.
Primase und RNA-Primer
Die DNA-Polymerase kann eine Nucleotidkette nur verlängern. Sie braucht ein freies 3’-OH-Ende, an das sie das nächste Desoxyribonucleotid knüpft. Einen Strang aus dem Nichts beginnen kann sie nicht. Diesen Startpunkt liefert ein Primer, ein kurzes Stück Nucleinsäure, das sich an den Matrizenstrang anlagert.
Die Primase setzt den Startpunkt
Bei der Replikation besteht der Primer in der Regel aus RNA. Gebildet wird dieser RNA-Primer von der Primase. Sie ist eine DNA-abhängige RNA-Polymerase: Sie liest den DNA-Elternstrang als Matrize und knüpft komplementäre Ribonucleotide zu einem kurzen RNA-Oligonucleotid. Anders als die DNA-Polymerase kann sie ohne vorhandenes 3’-Ende starten. Der Primer ist nur etwa ein Dutzend Nucleotide lang.
Danach übernimmt die DNA-Polymerase. Sie hängt Desoxyribonucleotide an das 3’-Ende des Primers. So entsteht ein Hybridmolekül: vorne RNA, dahinter DNA. Dass der Start aus RNA besteht, hat einen Vorteil. Der ungenau arbeitende Anfang ist chemisch markiert und lässt sich später gezielt austauschen.
Primer an beiden Strängen
Jeder neu begonnene DNA-Abschnitt braucht einen eigenen Primer. Das gilt auch für den kontinuierlich wachsenden Leitstrang. Er kommt allerdings mit einem einzigen Primer am Startpunkt aus. Der Folgestrang wird dagegen immer wieder neu begonnen und braucht deshalb viele Primer. Die Primase initiiert so jedes einzelne Okazaki-Fragment.
Vom Primer zur durchgehenden DNA
Im fertigen Doppelstrang findet sich keine RNA mehr. Der Weg dorthin verläuft in festen Schritten:
- Primer setzen: Die Primase bildet am Matrizenstrang einen kurzen RNA-Primer.
- Verlängern: Die DNA-Polymerase hängt Desoxyribonucleotide an, bis sie auf das zuvor gebildete Stück trifft.
- RNA abbauen: Der RNA-Anteil des RNA-DNA-Moleküls wird abgespalten.
- Lücke füllen: Eine DNA-Polymerase ersetzt die Ribonucleotide durch Desoxyribonucleotide.
- Verschließen: Die DNA-Ligase schließt den verbleibenden Einzelstrangbruch.
Den Abbau des Primers übernimmt nicht die Primase selbst, sondern andere Enzyme (Tabelle im Abschnitt Okazaki-Fragmente). Auch das Entwinden der Doppelhelix gehört nicht zu ihren Aufgaben, denn das leistet die Helicase an der Gabelspitze. Die Primase arbeitet nur bei der Replikation. Mit dem Spindelapparat der Zellteilung hat sie nichts zu tun.
Bei der Transkription spielen Primer keine Rolle. Die dortigen RNA-Polymerasen starten eine Kette selbstständig. Ein Primer ist damit ein Kennzeichen der DNA-Replikation.
Examensklassiker: Die Primase ist eine DNA-abhängige RNA-Polymerase und bildet kurze RNA-Primer aus Ribonucleotiden. Achte darauf, dass auch der Leitstrang einen Primer braucht und dass die Primase den Primer weder abbaut noch die DNA entwindet.
Semidiskontinuierliche Synthese
An einer Replikationsgabel liegen die beiden Elternstränge antiparallel. Der eine zeigt mit seinem 3’-Ende zur Gabelspitze, der andere mit seinem 5’-Ende. Die DNA-Polymerase liest die Matrize stets 3’→5’ und baut den neuen Strang 5’→3’. Deshalb müssen sich die beiden Tochterstränge zwangsläufig unterschiedlich verhalten.
Leitstrang
Der Leitstrang (leading strand) wächst in Richtung der Gabelbewegung. Seine Matrize läuft 3’→5’ auf die Gabel zu. Die Polymerase kann der Helicase also einfach folgen. Nach dem ersten Primer verlängert sie ohne Unterbrechung. Okazaki-Fragmente entstehen am Leitstrang nicht.
Folgestrang
Am anderen Elternstrang müsste die Polymerase für eine Synthese in Gabelrichtung 3’→5’ bauen. Das kann sie nicht. Der Folgestrang (lagging strand) entsteht deshalb rückwärts, entgegen der Gabelrichtung. Sobald die Helicase ein Stück Einzelstrang freigelegt hat, setzt die Primase vorne einen neuen Primer. Die Polymerase verlängert ihn, bis sie das vorherige Stück erreicht.
Man kann sich das wie jemanden vorstellen, der einen Zaun nach rechts abschreitet, aber nur nach links streichen kann. Er macht einen Schritt vor und streicht zurück bis zum letzten Abschnitt. Dann geht er wieder vor. So entsteht der Folgestrang aus vielen kurzen Stücken, den Okazaki-Fragmenten.
- wächst in Gabelrichtung
- kontinuierlich
- ein Primer am Start
- ohne Okazaki-Fragmente
- wächst gegen die Gabelrichtung
- diskontinuierlich
- viele Primer
- aus Okazaki-Fragmenten
Da nur einer der beiden Tochterstränge kontinuierlich entsteht und der andere in Stücken, nennt man die Replikation semidiskontinuierlich. Das wird im Examen gerne gefragt: Kontinuierlich wächst allein der Leitstrang, der Folgestrang entsteht diskontinuierlich über Okazaki-Fragmente.
Dass an jedem Elternstrang ein komplementärer Tochterstrang entsteht und jede Tochterhelix einen alten Strang behält, beschreibt das semikonservative Prinzip. Semidiskontinuierlich bezieht sich allein auf die Art, wie die beiden neuen Stränge synthetisiert werden.
Okazaki-Fragmente
Die kurzen Stücke des Folgestrangs heißen nach dem Ehepaar Okazaki, das sie entdeckte, Okazaki-Fragmente. Sie entstehen bei der DNA-Replikation. Ihre Existenz ist eine direkte Folge der antiparallelen Komplementarität: Weil die Polymerase nur 5’→3’ baut, muss der Folgestrang stückweise entstehen.
Aufbau
Jedes Okazaki-Fragment beginnt mit dem RNA-Primer der Primase am 5’-Ende. Daran schließt sich eine DNA-Sequenz an, die die DNA-Polymerase angehängt hat. Ein frisches Fragment ist also ein RNA-DNA-Hybrid. Es paart komplementär mit dem DNA-Matrizenstrang und nicht mit einer mRNA. Chemisch ist es ein reines Nucleinsäurestück und kein Glykoprotein.
Okazaki-Fragmente sind Vorstufen des Folgestrangs. Nach Austausch des Primers verbindet die Ligase sie noch während der Replikation zu einem durchgehenden Strang. Wo ein Fragment beginnt, hängt davon ab, wo die Primase gerade ansetzt. Mit Genen oder mit Intron- und Exon-Abschnitten haben die Grenzen nichts zu tun.
Bakterien und Eukaryoten
Okazaki-Fragmente kommen bei Bakterien und Eukaryoten vor, denn beide replizieren antiparallele DNA mit 5’→3’-Polymerasen. Unterschiede gibt es in Länge und beteiligten Enzymen:
| Merkmal | Bakterien (Escherichia coli) | Eukaryoten |
|---|---|---|
| Länge eines Fragments | etwa 1000 bis 2000 Nucleotide | etwa 100 bis 200 Nucleotide |
| Primase | DnaG | Primase im Komplex mit DNA-Polymerase α |
| Abbau des RNA-Primers | DNA-Polymerase I mit 5’→3’-Exonuclease-Aktivität | RNase H und Flap-Endonuclease FEN1 |
Abgrenzung zu Transkription und RNA-Prozessierung
Bei der Transkription treten keine Okazaki-Fragmente auf. Die RNA-Polymerase synthetisiert ihr Transkript in einem Zug und braucht keinen Primer. Auch mit der RNA-Prozessierung haben Okazaki-Fragmente nichts zu tun. Spleißosomen und snRNPs verarbeiten Prä-mRNA, an der DNA-Replikation sind sie nicht beteiligt.
Okazaki-Fragment = RNA-Kopf am 5’-Ende + DNA-Schwanz. Es gehört zum Folgestrang der DNA-Replikation, bei Bakterien wie bei Eukaryoten.
Quiz
Aussage 1
Der Begriff semidiskontinuierlich beschreibt, dass jede Tochterhelix einen Strang der Elternhelix behält.
Das ist das semikonservative Prinzip. Semidiskontinuierlich bedeutet, dass ein Tochterstrang kontinuierlich und der andere diskontinuierlich entsteht.
Aussage 2
Okazaki-Fragmente entstehen, weil die DNA-Polymerase nur in 5’→3’-Richtung synthetisiert und die beiden Elternstränge antiparallel liegen.
Aus diesen beiden Bedingungen folgt, dass einer der Tochterstränge stückweise gegen die Gabelrichtung entstehen muss.
Aussage 3
Der Folgestrang wird entgegen der Bewegungsrichtung der Replikationsgabel in einzelnen Stücken synthetisiert.
Am Folgestrang kann die Polymerase nur rückwärts von der Gabel weg bauen und muss immer wieder neu ansetzen.
Aussage 4
Weil der Leitstrang kontinuierlich wächst, kommt seine Synthese ganz ohne Primer aus.
Auch der Leitstrang braucht einen RNA-Primer, allerdings nur einen am Startpunkt. Die DNA-Polymerase kann keinen Strang selbst beginnen.
Aussage 5
Die Primase liest DNA als Matrize und bildet daran einen kurzen Primer aus Ribonucleotiden.
Die Primase ist eine DNA-abhängige RNA-Polymerase und synthetisiert RNA-Primer.
Aussage 6
Nach der Verlängerung durch die DNA-Polymerase spaltet die Primase ihren RNA-Primer wieder ab.
Den Primerabbau übernehmen andere Enzyme, bei Bakterien die DNA-Polymerase I, bei Eukaryoten RNase H und FEN1.
Aussage 7
Ein frisch gebildetes Okazaki-Fragment trägt an seinem 5’-Ende einen RNA-Primer, an den sich DNA anschließt.
Die Primase legt den RNA-Primer, die DNA-Polymerase hängt am 3’-Ende Desoxyribonucleotide an.
Aussage 8
Okazaki-Fragmente treten nur bei der Replikation bakterieller DNA auf.
Okazaki-Fragmente kommen bei Bakterien und Eukaryoten vor, bei Eukaryoten sind sie mit etwa 100 bis 200 Nucleotiden kürzer.
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