Biochemie und Pathobiochemie: Zellzyklus-Koordination (PDF)

695 43 Zellzyklus – Koordination der Zellteilung Peter C. Heinrich, Hans-Georg Koch und Jan Brix Der Zellzyklus beschreibt die Entstehung zweier Tochterzel- worden. Bei ihnen führt das Durch...

695 43 Zellzyklus – Koordination der Zellteilung Peter C. Heinrich, Hans-Georg Koch und Jan Brix Der Zellzyklus beschreibt die Entstehung zweier Tochterzel- worden. Bei ihnen führt das Durchlaufen des Zellzyklus len aus einer Ursprungszelle. Die dabei ablaufenden Vor- zur exponentiellen Zunahme der Population. gänge werden durch ein komplexes, molekulares Netzwerk Auch die Zellen höherer, vielzelliger Organismen reguliert. Nach einer entsprechenden Vergrößerung der Zell- durchlaufen den Zellzyklus. Allerdings ist bei ihnen im masse muss sichergestellt werden, dass eine Zelle ihr komplet- Gegensatz zu Einzellern ein dauerndes exponentielles tes Genom fehlerfrei dupliziert und während der Zellteilung Wachstum nicht erwünscht und auch gar nicht möglich. zu gleichen Teilen an die Tochterzellen weitergibt. Für die Aufrechterhaltung der Zellmasse eines adulten, nicht mehr wachsenden Organismus muss es also Me- chanismen geben, die eine weitere Zellvermehrung ver- Schwerpunkte hindern. Zu diesen Mechanismen gehören das Anhalten des Zellzyklus mit der Folge, dass weitere Zellteilungen 43.1 Chronologie des Zellzyklus verhindert und nicht mehr benötigte Zellen durch Apop- 5 Die 4 Phasen des Zellzyklus tose (7 Kap. 51) eliminiert werden. Im erwachsenen Menschen finden sich neben Geweben 43.2 Kontrolle des Zellzyklus mit hoher Zellteilungsrate auch solche, in denen Zellteilun- 5 Steuerung des Zellzyklus durch Cycline und Cyc- gen nie oder höchst selten stattfinden (. Abb. 43.1). lin-abhängige Kinasen (Cdks) Menschliche Nerven- und Muskelzellen teilen sich nach Differenzierung nicht mehr, Leberzellen z. B. 43.3 Kontrolle der Cyclin-abhängigen Kinasen nur etwa einmal pro Jahr. Im Gegensatz dazu teilen 5 Die Cdk-Aktivität wird über Phosphorylierung, sich andere Zellen, z. B. die Vorläufer der Blutzellen, Ubiquitinierung, Cyclin-Inhibitoren und subzellu- etwa einmal pro Tag. Störungen im Zellzyklus bilden läre Lokalisation reguliert häufig die Grundlage für das Entstehen bösartiger Er- 5 Bedeutung der Transkriptionsfaktoren p53 und E2F im Zellzyklus 43.4 Wachstumsfaktoren und Zellzyklus 5 Steuerung des Zellzyklus durch Wachstumsfaktoren Das Leben von Einzellern beginnt mit ihrer Entstehung durch Teilung ihrer Mutterzellen und ist dann durch eine Phase des Wachstums gekennzeichnet, die in etwa zur Verdopplung ihrer Zellmasse führt. Daran schließt sich die Bildung zweier Tochterzellen durch Zellteilung an. Der Zeitraum vom Entstehen einer Zelle während der Mitose bis zu ihrem Ende durch erneute Zellteilung wird als Zellzyklus bezeichnet und ist besonders gut an einzelligen Eukaryonten, z. B. Hefezellen, untersucht. Abb. 43.1 Teilungsraten unterschiedlicher humaner Zelltypen Ergänzende Information Die elektronische Version dieses Kapitels enthält Zusatzmaterial, auf das über folgenden Link zugegriffen werden kann https://doi.org/10.1007/978-3-662-60266-9_43. Die Videos lassen sich durch Anklicken des DOI Links in der Legende einer entsprechenden Abbildung abspielen, oder indem Sie diesen Link mit der SN More Media App scannen. © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2022 P. C. Heinrich et al. (Hrsg.), Löffler/Petrides Biochemie und Pathobiochemie, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60266-9_43  696 P. C. Heinrich et al. krankungen wie Krebs. Daher ist das Wissen um die len auf äußere Signale reagieren, die der einzelnen Zelle molekularen Mechanismen der Zellzyklus-Regulation mitteilen, dass weitere Zellen gebraucht werden. ein wichtiger Schlüssel zum Verständnis solcher Er- krankungen. > Der Zellzyklus umfasst vier verschiedene Phasen. Bei kontinuierlicher Proliferation treten Zellen nach der 43.1 Chronologie des Zellzyklus Zellteilung, der Mitose (M-Phase), in die Interphase ein, die aus der G1-Phase (gap-1), der S-Phase (Synthese) Bei der Erzeugung zweier identischer Tochterzellen muss und der G2-Phase (gap-2) besteht (. Abb. 43.2): die gesamte genetische Information sorgfältig repliziert 5 Die erste Phase der Interphase, die G1-Phase, ist durch und genau auf die Tochterzellen verteilt werden, sodass Zellwachstum und die Synthese von Proteinen und jede Zelle eine Kopie des gesamten Genoms erhält Nucleotiden charakterisiert, die für die DNA-Repli- (7 Kap. 44). Darüber hinaus muss die übrige Zellmasse kation benötigt werden. verdoppelt werden, ansonsten würden aus jeder Zelltei- 5 In der S-Phase wird die DNA der Zelle repliziert, lungs-Runde kleinere Zellen resultieren. Bei Eukaryon- RNA und Proteine werden synthetisiert. ten mit komplexem Zellaufbau aus verschiedenen Kom- 5 In der anschließenden G2-Phase werden weiterhin partimenten sind sämtliche Vorgänge zeitlich und RNA und Proteine synthetisiert, und die Zelle be- räumlich miteinander koordiniert. Zudem müssen Zel- reitet sich auf die Zellteilung vor.. Abb. 43.2 (Video 43.1) Die einzelnen Phasen des Zellzyklus mit drei ausgewählten Kontrollpunkten. Die Mitose kann in sechs verschiedene Phasen unterteilt werden; in der Abbildung sind Prometaphase und Metaphase sowie Telophase und Cytokinese zusammengefasst (Einzelheiten s. Text und Übrigens: „Die Mitose“) (7 https://doi.org/10.1007/000-5kw) 43 Zellzyklus – Koordination der Zellteilung 697 43 5 Während der Mitose wird die DNA auf die mitoti- mitotischen Spindelapparat überprüft. Das Kinetochor schen Spindeln und Tochterchromatiden aufgeteilt, ist ein DNA-Protein-Komplex, der an den Centromeren das Cytoplasma teilt sich und es entstehen zwei glei- (griech. „Mittelpunkt“; Kontaktstelle der beiden Toch- che Tochterzellen. terchromatiden) lokalisiert ist. Die Entscheidung, einen Kontrollpunkt zu passie- Bei einer schnell wachsenden Säugerzelle dauert ein ren, wird durch externe Faktoren wie Wachstumsfakto- Zellzyklus etwa 24 h, wobei auf die G1-Phase etwa ren und von einem inneren Uhrwerk der Zelle bestimmt. 6–12 h, die S-Phase etwa 6–8 h, die G2-Phase etwa 3–4 h Dieses Uhrwerk besteht aus Cyclinen und den sog. cyc- und auf die Mitose etwa 0,5–1 h entfallen. linabhängigen Kinasen. Externe Signale wirken regulie- Zellen haben die Möglichkeit, den Zellzyklus vor- rend auf diese cyclinabhängigen Kinasen ein. Der Ver- übergehend oder dauerhaft zu verlassen: lust der Abhängigkeit der Zellzyklusprogression durch 5 Differenzierte Zellen verlassen den Zellzyklus und externe Wachstumsfaktoren und der Verlust der Zellzy- treten in die sog. G0-Phase ein; dies gilt z. B. für sich kluskontrolle an den Kontrollpunkten ist ein Charakte- nicht teilende Nerven- und Muskelzellen. ristikum von Tumorzellen. 5 Der Entzug von Wachstumsfaktoren und Nährstof- fen führt ebenfalls dazu, dass Zellen in die G0-Phase eintreten. 43.3 Kontrolle der cyclinabhängigen 5 Ruhende, nicht terminal differenzierte Zellen kön- Kinasen nen durch Zugabe von Wachstumsfaktoren und Nährstoffen dazu veranlasst werden, die G0-Phase > Cycline sind die Aktivatoren cyclinabhängiger Kinasen. zu verlassen und wieder in den Zellzyklus einzutre- ten. Cycline sind eine Gruppe strukturell verwandter Pro- teine, deren Konzentrationen während der Phasen des Zellzyklus oszillieren (. Abb. 43.3). Ihre Konzentration 43.2 Kontrolle des Zellzyklus während des Zellzyklus wird durch regulierten proteoly- tischen Abbau im Proteasom bestimmt. Durch die genaue Kontrolle des Zellzyklus wird verhin- Cycline sind die Aktivatoren der cyclinabhängigen dert, dass die nächste Zellzyklusphase begonnen wird, Kinasen (cyclin-dependent kinases, Cdks) (. Tab. 43.1). bevor die vorhergehende Phase beendet ist. Es wäre ge- Sobald sie an die Cdks binden, öffnet sich deren aktives fährlich, die DNA-Synthese einzuleiten, wenn nicht ge- Zentrum und die Cdk-Aktivität steigt an. Im Unterschied nügend Nucleotide und Enzyme für diesen Prozess vor- zu Cyclinen, deren Synthese und Abbau während des Zell- handen sind. Es hätte ebenfalls katastrophale Folgen für zyklus oszilliert, sind die Cdks während des gesamten die Zelle, wenn die Mitose eingeleitet würde, obwohl die Zellzyklus vorhanden. Damit sind die Cycline die regu- DNA-Synthese noch nicht vollständig abgeschlossen ist. latorischen Komponenten eines Cyclin/Cdk-Komplexes. Die Zelle verfügt daher über Kontrollpunkte (check- Ein Cyclinmolekül kann an unterschiedliche Cdks bin- points/ restriction points), an denen sie den Fortschritt des den und dadurch deren Enzymaktivität steuern. Cyclin/ Zellzyklus überprüft. Ein solcher Kontrollpunkt, der Cdk-Komplexe entfalten ihre Wirkung fast ausschließlich über den Eintritt in die S-Phase entscheidet, befindet sich im Zellkern. Daher ist die kontrollierte Translokation von in der späten G1-Phase des Zellzyklus (. Abb. 43.2). Cyclin/Cdk-Komplexen in den Zellkern eine wichtige Hier wird überprüft, ob eine ausreichende Zellgröße er- Stufe für die Regulation des Zellzyklus. In der G2-Phase reicht ist, ob keine DNA-Schäden vorliegen und ob aus- und in der M-Phase des Zellzyklus sind nucleäre Lamine reichend Substrate für die Nucleinsäuresynthese vorhan- und Mikrotubuli-assoziierte Proteine wichtige Substrate den sind. Ein weiterer Kontrollpunkt befindet sich am für Cdks. Neben den kernlokalisierten Cdks findet man Ende der G2-Phase. Dort überprüft die Zelle, ob die DNA Cdks auch am Golgi-Apparat und an den Centrosomen. erfolgreich repliziert wurde oder ob DNA-Schäden vor- Die am Golgi-Apparat lokalisierten Cdks sind an der Auf- liegen. Bei Fehlermeldungen wird der Zellzyklus ange- lösung der Golgi-Membranen während der Mitose betei- halten und die Zelle hat Zeit, den DNA-Schaden zu be- ligt. Das Centrosom steuert die Organisation der Mikro- heben (7 Abschn. 45.2) oder den Zellzyklus abzubrechen tubuli während der Mitose und wird daher auch als und in die Apoptose (7 Kap. 51) einzutreten. An einem microtubule-organizing center bezeichnet. Die Verdopplung dritten Kontrollpunkt am Ende der Metaphase der Mi- der Centrosomen während der Mitose wird über Cdks ge- tose wird die korrekte Anheftung der Kinetochore an den steuert. Damit unterstützen die außerhalb des Zellkerns  698 P. C. Heinrich et al.. Abb. 43.3 Zeitlich regulierte Expression von Cyclinen während des Zellzyklus. Die Längen der einzelnen Phasen des Zellzyklus sind nicht maßstabsgerecht dargestellt funktionellen Domänen auszeichnet. Die durch die Inter-. Tab. 43.1 Die wichtigsten Cycline und cyclinabhängigen Kinasen während des Zellzyklus in Säugetieren aktion mit Cyclinen entstehenden Cyclin/Cdk-Komplexe besitzen lediglich eine geringe Kinaseaktivität, die durch Phase des Zellzyklus Cycline Cyclinabhängige Kinasen spezifische Inhibitorproteine (Cdk-Inhibitoren, CKI) oder durch Phosphorylierung inhibiert werden kann G1-Phase Cyclin D Cdk4, Cdk6 (. Abb. 43.4). Für die Aktivierung der Cyclin/Cdk- Cyclin E Cdk2 Komplexe muss das inhibitorische Phosphat abgespal- ten werden und gleichzeitig eine aktivierende Phospho- S-Phase Cyclin D Cdk4, Cdk6 rylierung an einem anderen Aminosäurerest erfolgen. Cyclin E Cdk2 Durch Ubiquitinierung und Proteolyse des Cyclins wer- Cyclin A Cdk2 den aktive Cyclin/Cdk-Komplexe inaktiviert. Diese Pro- teolyse der verschiedenen Cycline erklärt auch deren Os- G2-Phase Cyclin Ba Cdk1 zillation während des Zellzyklus (. Abb. 43.3). Cyclin A Cdk1 Am Beispiel der Cdk1 soll die Bedeutung der inhibi- M-Phase Cyclin A Cdk1 torischen und aktivierenden Phosphorylierungen der Cdks dargestellt werden (. Abb. 43.5): Cyclin Ba Cdk1 Durch Bindung von Cyclin B kommt es zu einer aauch Cyclin M genann schwachen Aktivierung von Cdk1 (Ziffer 1). Inaktivie- rende Kinasen wie Wee1 (little-1; schottisch: wee = klein), Myt1 (myelin transcription factor 1) oder Mik1 (mitotic inhibitor kinase 1) phosphorylieren Cdk1 an Threonin 14 lokalisierten Cdks die im Zellkern den Zellzyklus regulie- und Tyrosin 15 (Ziffer 2). Die Phosphorylierung an bei- renden Cdks. den Aminosäuren führt zur Inaktivierung von Cdk1, da Für den geordneten Ablauf des Zellzyklus ist eine diese Aminosäuren im aktiven Zentrum liegen. Die wei- exakte Regulation der Cyclin/Cdk-Komplexe notwendig tere Phosphorylierung des Threoninrestes 160 von Cdk1 (. Abb. 43.4, 43.5 und 43.7). Sie erfolgt durch: durch eine Cdk-aktivierende Kinase (Cak, ein Komplex 5 reversible Phosphorylierung/Dephosphorylierung, aus Cyclin H, Cdk7 und Mat1) ist dagegen eine wesentli- 5 Ubiquitinierung und anschließenden Abbau durch che Voraussetzung für die Aktivierung des Cyclin B/ das Proteasom, Cdk1-Komplexes (Ziffer 3). Wenn die Zelle zur Zelltei- 5 spezifische Inhibitorproteine, lung bereit ist, wird Cdk1 an den beiden inhibitorischen 43 5 Regulation der subzellulären Lokalisation, Aminosäuren Thr 14 und Tyr 15 durch die Phosphatase 5 transkriptionelle Regulation. Cdc25c (cell division cycle protein 25c) dephosphoryliert (Ziffer 4). Damit wird der Cyclin B/Cdk1-Komplex akti- viert und die Zelle zum Eintritt in die Mitosephase stimu- > Die Aktivität der Cdks wird durch Phosphorylie- liert (Ziffer 5), weshalb dieser Komplex auch als mit- rung/Dephosphorylierung und Ubiquitinierung von osis-promoting factor (MPF) bezeichnet wird (s. Cyclinen mit anschließendem Abbau durch das Pro- „Übrigens: Die Mitose“ und. Abb. 43.5). Da der aktive teasom reguliert. Cyclin B/Cdk1-Komplex wiederum die Phosphatase Cdc25c durch Phosphorylierung stimuliert, erfolgt so Cdks bilden eine Familie von Proteinen, die sich durch eine feedforward-Aktivierung (Ziffer 6). Der aktive eine hohe Konservierung der Aminosäure-Sequenz in den CyclinB/Cdk1-Komplex ist dann ein wesentlicher Auslö- Zellzyklus – Koordination der Zellteilung 699 43. Abb. 43.4 (Video 43.2) Prinzip der Regulation von cyclinabhängigen Kinasen (Cds) durch Phosphorylierung und Dephosphorylierung sowie durch spezifische Inhibitorproteine. CKI: Cdk-Inhibitoren. (Einzelheiten s. Text) (7 https://doi.org/10.1007/000-5kt) ser der Mitose. Auch die Regulation anderer am Zellzyk- rend der G1-und S-Phase des Zellzyklus (. Abb. 43.6). lus beteiligter Cyclin/Cdk-Komplexe erfolgt in ähnlicher Die Cip/Kip (cyclin inhibitor protein/ kinase inhibitor Weise durch Phosphorylierung/Dephosphorylierung. protein)-Familie umfasst die Proteine p21Cip1, p27Kip1 Um die Mitosephase zu verlassen, wird im aktiven und p57Kip2. Im Unterschied zu INK4-Inhibitoren bin- Cyclin B/Cdk1-Komplex zunächst Threonin 160 von den diese sowohl an Cycline (p21Cip1) als auch an Cdks Cdk1 durch die Phosphatase Kap (kinase associated (p27Kip1 und p57Kip2). phosphatase) dephosphoryliert (Ziffer 7). Cyclin B Die Konzentration und Aktivität der CKIs während des wird durch die Ubiquitinligase SCF ubiquitiniert (Zif- Zellzyklus wird ebenfalls durch Phosphorylierung und fer 8) und durch das Proteasom abgebaut (Ziffer 9), Proteolyse reguliert. während inaktives Cdk1 erneut Cycline binden und Zusätzlich erfolgt eine transkriptionelle Regulation damit aktiviert werden kann. Der aktive Cyclin B/ der CKIs durch den Transkriptionsfaktor p53 (s. u.). Cdk1-Komplex stimuliert durch Phosphorylierung die Eine Inaktivierung der CKI-gesteuerten Zellzykluskon- Ubiquitinligase SCF und leitet damit die Proteolyse trolle findet man z. B. häufig in Tumorzellen. von Cyclin B ein. > Die Aktivität der cyclinabhängigen Kinasen wird über > Cyclinabhängige Kinasen werden über Inhibitoren ihre subzelluläre Lokalisation reguliert. reguliert. Da Cyclin/Cdk-Komplexe überwiegend im Zellkern aktiv Eine zusätzliche Regulation der cyclinabhängigen Kina- sind, kommt ihrer Translokation vom Cytosol in den Zell- sen erfolgt durch die Interaktion mit Inhibitoren, die als kern eine besondere Bedeutung zu. Dies gilt auch für die Cdk-Inhibitoren (CKI) bezeichnet werden. In Meta- Cdk1-aktivierende Phosphatase Cdc25c (. Abb. 43.7). zoen (mehrzelligen Eukaryonten) sind zwei CKI- Cyclin B trägt sowohl ein Kern-Lokalisierungs-Signal Familien bekannt, die sich hinsichtlich ihrer Struktur (NLS, nuclear localization signal) als auch ein Kern- und Spezifität unterscheiden. Zur INK4 (inhibitor of Export-Signal (NES, nuclear export signal), d. h. es findet kinase 4)-Familie gehören die Inhibitoren p16INK4A, ein kontinuierliches shuttling des Cyclin B/Cdk1- p15INK4B, p18INK4C und p19INK4D. INK4-Inhibitoren Komplexes zwischen Cytosol und Zellkern statt. Dabei verhindern durch Bindung an Cdk4 und Cdk6 deren werden der Import in den Zellkern durch Importin β und Interaktion mit Cyclin D, wirken also spezifisch wäh- der Export durch Crm-1, ein Importin-β-ähnliches Pro-  700 P. C. Heinrich et al. Inaktivierende Kinasen: Wee1 Aktivierende Myt1 Kinase: 3 Mik1 Cak Cdk1 Cdk1 Cdk1 Cyclin B Cyclin B Cyclin B 1 2 4 Cdc25c Cdc25c gering aktiv Cdk1 6 Cyclin B Cdk1 Mitose Cyclin B 5 Cyclin B 7 Inaktivierende Phosphatase: 9 Kap 8 Cdk1 Cdk1 Cyclin B Cyclin B. Abb. 43.5 (Video 43.3) Regulation von Cdk1/Cyclin B durch Cullin und F-Box-Protein (F-Box beschreibt ein Aminosäuremotiv, Phosphorylierung, Dephosphorylierung und proteasomalen Abbau das an Protein-Protein-Interaktionen beteiligt ist). Ubi: Ubiquitin (Einzelheiten s.Text). Der SCF-Ubiquitinligase-Komplex besteht (7 https://doi.org/10.1007/000-5kv) aus den Untereinheiten Skp1 (S-phase kinase associated protein 1), tein, ermöglicht (7 Abschn. 12.2 und 49.2). Allerdings 5 Um den Cyclin B/Cdk1-Komplex im Kern zu akti- findet man den Cyclin B/Cdk1-Komplex während der ge- vieren, erfolgt die Phosphorylierung durch die be- samten Interphase überwiegend im Cytosol vor und erst reits in. Abb. 43.5 erwähnte kernlokalisierte Kina- in der späten Prophase der Mitose im Zellkern. Dieser se Cak (Ziffer 2). zellzyklusabhängigen Lokalisation liegt eine komplexe 5 Eine volle Aktivierung wird allerdings erst nach Ent- Regulation zugrunde (. Abb. 43.7): fernung der Phosphatreste an den Positionen 14 und 5 Die während der Interphase im Cytosol vorliegen- 15 erreicht. Diese Dephosphorylierung wird durch den Cyclin B/Cdk1-Komplexe sind durch Phospho- die bereits vorgestellte Phosphatase Cdc25c bewirkt 43 rylierung inaktiviert. Die Inaktivierung erfolgt durch (Ziffer 3). die Kinase Myt1. Die während der Interphase gerin- 5 Die Dephosphorylierung von Cdk1 führt zu deren ge Menge an kernlokalisierten Cyclin B/Cdk1-Kom- Aktivierung, sodass die Zelle in die Mitose eintreten plexen wird durch die Kinase Wee-1 inaktiviert kann (Ziffer 4). (. Abb. 43.5). 5 Cdc25c trägt wie Cyclin B sowohl ein Kern-Import- 5 Am Anfang der Prophase der Mitose wird das Kern- Signal als auch ein Kern-Export-Signal und ist ebenso exportsignal von Cyclin B durch Phosphorylierung wie Cyclin B während der Interphase überwiegend im maskiert, sodass es zur Anreicherung von inaktiven Cytosol lokalisiert. Nach Phosphorylierung an Serin Cyclin B/Cdk1-Komplexen im Zellkern kommt. An 216 durch die Kinase Chk1 (checkpoint-homologue ki- dieser Phosphorylierung ist vermutlich die zellkern- nase 1) (Ziffer 5), bindet Cdc25c an das Adapterprote- lokalisierte Kinase Plk1 (polo-like kinase 1) beteiligt in 14-3-3 (Ziffer 6). Diese Phosphorylierung kann (Ziffer 1). durch die Proteinphosphatase PP2a (protein phospha- Zellzyklus – Koordination der Zellteilung 701 43 > Der Zellzyklus wird durch die Transkriptionsfakto- ren p53 und E2F reguliert. Neben der Regulation des Zellzyklus durch z. B. Phos- phorylierung oder Proteolyse erfolgt eine Regulation auch auf der Transkriptionsebene. Einer der wichtigs- ten Transkriptionsfaktoren ist hier p53, ein Protein mit einer molekularen Masse von 53 kDa. Das Protein wird häufig auch als „Wächter des Genoms“ bezeichnet, da es bei einer Schädigung der DNA den Zellzyklus arretie- ren kann und so DNA-Reparatursystemen (7 Abschn. 45.2) die Gelegenheit gibt, diese Schäden zu beheben. Die Bedeutung dieser „Wächterfunktion“ wird auch dadurch deutlich, dass bei etwa 50 % aller Tu- morpatienten Mutationen im p53-Gen vorliegen. Keim- bahnmutationen im p53-Gen führen zu dem sog. Li-Fraumeni-Syndrom (7 Kap. 52). Diese Patienten zei- gen ein stark erhöhtes Krebsrisiko und entwickeln häu- fig schon vor Eintritt in die Pubertät maligne Tumore, wie z. B. Brustkrebs, Leukämie und Hirntumore. In Tiermodellen, wie z. B. einer p53-knock-out-Maus tre- ten innerhalb von 6 Monaten mit einer Wahrscheinlich- keit von fast 100 % Tumore auf. Umgekehrt wird die niedrige Tumorrate bei Elefanten, die ein ähnliches Al- ter wie der Mensch erreichen können, u. a. auf die Tat-. Abb. 43.6 (Video 43.4) Assoziation von Cyclin/Cdk-Komplexen während des Zellzyklus und deren Inhibitoren. Einzelne Cycline kön- sache zurückgeführt, dass Elefanten 40 Kopien des p53- nen mit verschiedenen Cdks und einzelne Cdks mit verschiedenen Gens tragen. Cyclinen interagieren. Inhibitoren können entweder nur Cdks 5 Wie in. Abb. 43.8 gezeigt, liegt p53 als Tetramer (INK4-Inhibitorfamilie) oder sowohl Cycline als auch Cdks (Cip/ mit der Ubiquitinligase Mdm2 (mouse double minute Kip-Inhibitorfamilie) inhibieren. (Einzelheiten s. Text) 2 protein) assoziiert vor. Durch Ubiquitinierung (Zif- (7 https://doi.org/10.1007/000-5ks) fer 1) und proteasomalen Abbau (Ziffer 2) wird die zelluläre Konzentration von p53 unter physiologi- tase 2a) (Ziffer 5) rückgängig gemacht werden. Durch schen Bedingungen gering gehalten. die Bindung des 14-3-3 Proteins wird das Kern- 5 Nach einer DNA-Schädigung, z. B. einem Doppel- Import-Signal maskiert und Cdc25c deshalb im Cyto- strangbruch (Ziffer 3), wird dieser durch den Prote- sol festgehalten. 14-3-3 Proteine gehören zu einer in inkomplex MRN erkannt (Ziffer 4). MRN besteht allen Eukaryonten vorkommenden Familie von regu- aus der Exonuclease Mre11, der ATPase Rad50 und latorischen Proteinen, die insbesondere an phospho- dem Gerüstprotein Nbs1. rylierte Proteine binden. Die ungewöhnliche Bezeich- 5 MRN aktiviert nachfolgend die Serin/Threoninkina- nung dieser Proteine leitet sich von dem ursprünglichen sen ATM und ATR (Ziffer 5). Die Phosphorylierung Aufreinigungsprotokoll ab: Die Proteine eluierten in von p53 durch ATM oder ATR (Ziffer 6) führt zur der 14. Fraktion einer Säulenchromatographie und Dissoziation der Ubiquitinligase Mdm2. Dadurch wurden in der anschließenden Elektrophorese an Posi- unterbleibt die Proteolyse, und es kommt zu einer er- tion 3.3 gefunden. höhten p53 Konzentration in der Zelle. Gleichzeitig 5 Nach Dephosphorylierung von Serin 216 dissoziiert führt diese Phosphorylierung durch ATM oder ATR das 14-3-3 Protein ab und Cdc25c kann in den Zell- zu einer erhöhten Aktivität des Transkriptionsfak- kern transportiert werden. Dort erfolgt die Aktivie- tors p53. rung durch eine mehrfache Phosphorylierung durch 5 Aktiviertes p53 stimuliert die Transkription des Plk1 (Ziffer 7). p21Cip-Gens (. Abb. 43.6, Ziffer 7), sodass die Kon- 5 Im Zellkern bindet das phosphorylierte Cdc25c dann zentration dieses Cyclininhibitors ansteigt und der an den Cyclin B/Cdk1-Komplex und aktiviert diesen Zellzyklus solange angehalten werden kann, bis die durch Dephosphorylierung (Ziffer 3). DNA-Schäden behoben sind (Ziffer 8). 5 Um den Übergang von der Mitosephase in die G1- 5 Bei irreparablen DNA-Schäden führt die dauerhafte Phase zu ermöglichen, erfolgt der proteolytische Ab- Aktivierung von ATM und ATR zu extrem hohen bau von Cyclin B und Cdc25c nach Ubiquitinierung p53-Konzentrationen, die die Apoptose auslösen (Ziffer 8). (. Tab. 51.1).  702 P. C. Heinrich et al.. Abb. 43.7 (Video 43.5) Regulation des Cyclin B/Cdk1-Komple- stehenden konservierten Bereiche bestimmen die subzelluläre Loka- xes und der Proteinphosphatase Cdc25c durch unterschiedliche sub- lisation der Kinasen und üben eine autoinhibitorische Wirkung aus. zelluläre Lokalisation. Polo-ähnliche Kinasen (polo-like kinases) sind NLS: nuclear localization signal; NES: nuclear export signal (Einzel- hochkonservierte Serin/Threoninkinasen, die C-terminal mehrere heiten s. Text) (7 https://doi.org/10.1007/000-5kx) sog. Polo-Boxen besitzen. Diese aus etwa 70–80 Aminosäuren be- Ein weiteres wichtiges Regulatorprotein des Zellzyklus tina, sondern vermutlich in allen Zelltypen exprimiert ist das Tumorsuppressor-Protein pRB (Retinoblastom- wird, findet man Mutationen im pRB-Gen auch z. B. bei Protein). pRB ist ein Inhibitor des Transkriptionsfaktors Bronchial- und Mammakarzinomen. E2F 1 (E2F 1 gehört zu einer Familie von eukaryonti- Der Mechanismus der E2F Inaktivierung ist in schen Transkriptionsfaktoren), der die Bildung von Pro-. Abb. 43.8 (rechts unten) schematisch dargestellt: 43 teinen steuert, die für den Übergang von der G1-Phase in die S-Phase benötigt werden. Hierzu zählen z. B. die 5 E2F 1 ist durch Bindung von pRB inaktiviert, sodass die Transkription der E2F 1-kontrollierten Gene un- DNA-Polymerasen, die Dihydrofolatreduktase und Cyc- terbleibt (Ziffer 9). lin E. Mutationen im pRB-Gen führen zum Retinoblas- 5 Durch Wachstumsfaktoren (s. u.) kommt es zu einem tom, einem Tumor der sich entwickelnden Retina, der bei Anstieg der Cyclin-D-Konzentration (. Abb. 43.3) Neugeborenen und Kleinkindern mit einer Häufigkeit und zur Bildung der Cyclin D/Cdk4- bzw. Cyclin D/ von etwa 1:20.000 auftritt. Da pRB nicht nur in der Re- Cdk6-Komplexe. Zellzyklus – Koordination der Zellteilung 703 43. Abb. 43.8 (Video 43.6) Wirkung der Tumorsuppressorproteine und ATR: ataxia teleangiectasia related. Ataxia teleangiectasia ist p53 und pRb. p53 inhibiert Cyclin/Cdk-Komplexe durch verstärkte eine seltene Erkrankung, die durch Wachstumsstörungen und erhöh- Expression des cyclinspezifischen Inhibitors p21Cip. pRB wird durch tes Tumorrisiko charakterisiert ist (7 Kap. 45, 7 Tab. 45.3). (Einzel- Cyclin/Cdk-Komplexe phosphoryliert, wodurch der Transkriptions- heiten s. Text) (7 https://doi.org/10.1007/000-5ky) faktor E2F-1 freigesetzt wird. ATM: ataxia teleangiectasia mutated; 5 Die Kinaseaktivtät beider Komplexe führt zur Hyper- Übergang in die S-Phase. Die in der S-Phase gebilde- phosphorylierung von pRB, das insgesamt 16 potenti- ten Cyclin E/Cdk2-Komplexe können pRB ebenfalls elle Serin-/Threoninphosphorylierungs-Stellen besitzt. phosphorylieren, sodass es zu einem Verstärkungs- Diese Phosphorylierung bewirkt die Freisetzung des effekt kommt. Transkriptionsfaktors E2F 1 (Ziffer 10). Die Bezeich- 5 Ist einer der Inhibitoren der cyclinabhängigen Prote- nung G1-Kontrollpunkt (. Abb. 43.2) beschreibt im inkinasen wie p21Cip aktiviert, z. B. nach DNA- Wesentlichen diese kontrollierte Freisetzung von E2F 1. Schädigung (s. o.), unterbleibt die Phosphorylierung 5 Freigesetztes E2F 1 stimuliert dann die Transkripti- von pRb und damit die Freisetzung von E2F 1. Durch on verschiedener Gene, wie z. B. die der DNA- die fehlende Transkriptionsstimulation kommt es zu Polymerasen und Cyclin E, und ermöglicht so den einem Zellzyklusarrest.  704 P. C. Heinrich et al. Übrigens Die Mitose. Der Begriff Mitose wurde von dem deutschen Äquatorialebene. Es kommt zu einer Phosphorylierung Anatom Walther Flemming (1843–1905) geprägt, der erst- der Motorproteine und von MAPs (microtubule-asso- mals das Verhalten von Chromosomen während der Zelltei- ciated proteins). Diese Cdk-abhängige Phosphorylie- lung beobachtete. Die gleichmäßige Verteilung der replizier- rung führt zu einer erhöhten Mikrotubuli-Dynamik, ten Chromosomen auf zwei Tochterzellen ist nur aufgrund d. h. einem verstärkten Auf- und Abbau. Die korrekte tiefgreifender Veränderungen der Zellmorphologie möglich. Trennung der beiden Tochterchromatiden setzt voraus, So muss z. B. in Metazoen (mehrzellige Eukaryonten) die dass sie von gegenüberliegenden Mikrotubuli-Fasern Kernmembran aufgelöst und am Ende der Mitose aus Kern- gebunden werden. An der Kontrolle der korrekten An- membranfragmenten und Membrananteilen des Endoplas- heftung ist die Proteinkinase Aurora B beteiligt. matischen Retikulums neu gebildet werden. Die Mitose wird 4. Anaphase: Die Anaphase setzt ein, wenn die Kohäsine, in sechs Stadien eingeteilt (. Abb. 43.2, oberer Teil): die die Tochterchromatiden zusammenhalten, proteo- 1. Prophase: Die replizierten Chromosomen, bestehend aus lytisch gespalten werden. Die verantwortliche Protease je zwei Tochterchromatiden, kondensieren und werden wird als Separase bezeichnet und ist vor Beginn der lichtmikroskopisch sichtbar. Der Spindelapparat bildet Anaphase durch die regulatorische Untereinheit Secu- sich außerhalb des Zellkerns: Ausgehend von einem Pro- rin inaktiviert. Während der Anaphase wird Securin teinkomplex (dem Centrosom) entstehen fächerförmig durch die Ubiquitinligase APC/C (anaphase promoting Mikrotubuli. Mindestens fünf verschiedene Motorpro- complex) ubiquitiniert und durch das Proteasom abge- teine sind an der Ausbildung des Spindelapparates betei- baut. APC/C ubiquitiniert ebenfalls den Cyclin B1/ ligt: Kinesin-4, Kinesin-5, Kinesin-10, Kinesin-14 und Cdk1-Komplex sowie B-Typ-Cycline und leitet damit Dynein (7 Kap. 13). deren Proteolyse ein. APC/C wird während der Inter- 2. Pro-Metaphase: Nach der Translokation des Cyclin phase durch Cyclin/Cdk-Komplexe inaktiviert und B1/Cdk1-Komplexes (MPF: mitosis-promoting factor) durch die Cdc14-Phosphatase in der Anaphase akti- in den Zellkern (. Abb. 43.7) zerfällt die Kernmem- viert. Die Trennung der Tochterchromatide erfolgt so- bran und die weiter kondensierten Chromosomen kön- wohl durch die Verkürzung der Mikrotubuli als auch nen über die Kinetochore an die Mikrotubuli binden. durch die Wanderung der Spindelpole; dabei trennen Entscheidend für den regulierten Zerfall der Kern- sich die Tochterchromatide mit einer Geschwindigkeit membran ist die Phosphorylierung der Kernlamina, von etwa 1 μm/min. einem dichten Flechtwerk aus Proteinuntereinheiten 5. Telophase: Nach der vollständigen Trennung der Toch- (Laminen), die der inneren Kernmembran aufliegt. Die terchromatide muss die Kernmembran wieder aufge- durch den Cyclin B1/Cdk1-Komplex katalysierte Phos- baut werden. Hierzu werden zunächst die durch Cyclin phorylierung führt zur Depolymerisierung der Lami- B1/Cdk1-Komplexe katalysierten Phosphorylierungen ne und zum Zerfall der Kernlamina. Der Cyclin B1/ durch die Phosphatase Cdc14 rückgängig gemacht. Cdk1-Komplex destabilisiert durch Phosphorylierung Die Dephosphorylierung der Kondensine und des His- ebenfalls die Kernporenkomplexe und scheint auch die tons H1 führt zu einer Dekondensation der Chromo- Kondensation der Chromosomen durch Phosphorylie- somen. Die Dephosphorylierung der Motorproteine rung der SMC-(structural maintenance of chromosome) und MAPs (s. o.) führt zu einer Dissoziation der Mi- Proteine und des Histons H1 (7 Abschn. 10.3) zu steu- krotubuli. Es wird vermutet, dass Fragmente der Kern- ern. Das Protein Mad2 erkennt Kinetochore, die nicht membran nach Dephosphorylierung mit den Chromo- an Mikrotubuli gebunden sind und verhindert in die- somen interagieren und durch Fusion miteinander eine sem Fall den Übergang in die Anaphase. Damit ist neue Kernmembran bilden. Diese Fusion und die As- Mad2 ein wesentlicher Faktor des Mitosekontroll- semblierung von Kernporenkomplexen werden durch punktes (. Abb. 43.2). Ran-GTP (7 Abschn. 12.1.2) stimuliert. 43 3. Metaphase: Die Metaphase ist die längste Phase (ca. 6. Cytokinese: Während der Cytokinese wird das Cyto- 20 min) der Mitose. Die Centrosomen wandern zu den plasma durch einen kontraktilen Ring, bestehend aus gegenüberliegenden Polen der Zelle und die Chromoso- Actin- und Myosinfilamenten, geteilt und es entstehen men orientieren sich zwischen den Centrosomen in der zwei Tochterzellen. Zellzyklus – Koordination der Zellteilung 705 43 43.4 Wachstumsfaktoren und Zellzyklus und anderen Molekülen, z. B. Nucleotiden, in der Zelle fördern und das Durchlaufen des Zellzyklus stimulie- Im Zellzyklus spielen eine ganze Reihe von Wachstums- ren. Die Vielzahl dieser Faktoren reguliert nicht nur faktoren eine wichtige Rolle. So können Säugetierzellen Zellwachstum, sondern auch Zellmigration, Differen- in Zellkultur nur dann proliferieren, wenn dem Kultur- zierung und Überleben von Zellen, d. h. sie wirken medium Serum zugesetzt wird. Das Serum enthält Fak- pleiotrop. In Abwesenheit dieser Faktoren treten Zellen toren, die das Wachstum einer Zelle, eines Organs oder in die G0-Phase des Zellzyklus ein oder sterben durch eines Organismus fördern (. Tab. 43.2 und 34.2). Apoptose. Zellen in der G0-Phase können durch Wachs- Wachstumsfaktoren können: tumsfaktoren wieder zum Eintritt in die G1-Phase sti- 5 mitogen, also mitosestimulierend, muliert werden. 5 proapoptotisch, d. h. den programmierten Zelltod Man unterscheidet verschiedene Familien von Wachs- (7 Kap. 51) stimulierend oder tumsfaktoren, die häufig an membranständige Rezeptor- 5 antiapoptotisch wirken. Tyrosinkinasen binden, dadurch Signalkaskaden in Gang setzen und zur Aktivierung verschiedener Transkriptions- Wachstumsfaktoren regen das Zellwachstum und die faktoren führen (7 Abschn. 35.4). Letztere regulieren die Zellteilung an, indem sie die Synthese von Proteinen Expression von Cyclinen und Cyclin-Inhibitoren.. Tab. 43.2 Wachstumsfaktoren im Serum (Auswahl) Faktor Bedeutung u. a. Pathobiochemie Verweis auf Kapitel Plättchen (Thrombozyten)-Wachstumsfaktor Embryogenese, Entwicklung Wichtig bei Wundheilung 7 34, 35 (PDGF, platelet-derived growth factor) von Blutgefäßen (Angiogenese) Fibroblastenwachstumsfaktor Embryogenese, Entwicklung Wichtig bei Wundheilung 7 34, 35 (FGF, fibroblast growth factor) von Knorpelgewebe, In vielen Tumorzellen erhöht Blutgefäßen Epidermaler Wachstumsfaktor Zellproliferation Zusammenhang mit Brustkrebs, 7 34, 52, (EGF, epidermal growth factor) und -differenzierung Darmkrebs 53 Nervenwachstumsfaktor Differenzierung und Überleben Wird bei Verletzungen des 7 74 (NGF, nerve growth factor) von Neuronen peripheren Nervengewebes freigesetzt Insulinähnliche Wachstumsfaktoren Stimulierung der 7 34, 38, (IGF-1 und IGF-2, insulin-like growth factor) Zellproliferation 42 Hemmung der Apoptose Übrigens Neuartige Wirkstoffe in der Krebstherapie: Tyrosinkina- und 53). Onkogene oder Tumorsuppressorgene codieren se-Inhibitoren. häufig für Tyrosinkinasen, die entscheidend an der Regu- Gene, deren Produkte durch Mutation den Zellzyklus lation und Kontrolle des Zellzyklus beteiligt sind. Viele un- dauerhaft und damit unkontrolliert stimulieren können, kontrolliert wachsende Tumorzellen tragen Mutationen in werden als Onkogene bezeichnet. Im Gegensatz hierzu wer- Tyrosinkinase-codierenden Genen. So findet man z. B. bei den Gene, deren Produkte normalerweise die Zellteilung Mammakarzinomen häufig eine Mutation im EGF-Re- hemmen, diese Fähigkeit durch Mutation aber verloren zeptor (. Tab. 43.2), die zu einer EGF-unabhängigen, haben, als Tumorsuppressorgene bezeichnet (7 Kap. 52 permanenten Aktivierung führt. In den vergangenen Jah-  706 P. C. Heinrich et al. ren sind Medikamente entwickelt worden, die zu einer spe- reich in der Behandlung chronisch myeloischer Leukämie zifischen Hemmung der Tyrosinkinasen führen und eine (CML) eingesetzt wird. Der synthetische, polyaromati- neue Generation von Wirkstoffen in der Tumorbehand- sche Wirkstoff Imatinib hemmt die durch Mutation per- lung repräsentieren: manent aktive Tyrosinkinase Bcr-Abl1 (breakpoint cluster 5 ATP-Analoga können Tyrosinkinasen hemmen; aller- region-Abelson-murine leukemia homologue). Ursache der dings wirken sie relativ unspezifisch. Sie zeigen häufig permanenten Aktivierung ist eine Chromosomentranslo- starke Nebenwirkungen, da sie alle ATP-bindenden kation, bei der es zum DNA-Austausch zwischen den Proteine inhibieren können. Chromosomen 9 und 22 kommt. Am Beispiel des dadurch 5 Substanzen, die neben der ATP-Bindungsstelle auch entstandenen sog. Philadelphia-Chromosoms konnte erst- Teile der Tyrosinkinasedomäne zur Bindung benötigen malig der Zusammenhang zwischen Chromosomenmuta- und deshalb spezifischer als ATP-Analoga wirken. tionen und Tumorentstehung nachgewiesen werden. We- 5 Monoklonale Antikörper (7 Kap. 70), die z. B. nach gen seiner geringen Nebenwirkungen wurde Imatinib Bindung eine Dimerisierung und damit Aktivierung nach seiner Einführung als Wunderwaffe gegen Krebs der Rezeptor-Tyrosinkinase verhindern (7 Kap. 35 hochgelobt. und 52). Trastuzumab (Herceptin), Cetuximab (Erbitux) und Bevacizumab (Avastin) sind monoklonale Antikörper, die Das prominenteste Beispiel für einen Inhibitor, der so- gegen Tyrosinkinasen gerichtet sind und z. B. zur Behand- wohl an die ATP-Bindestelle als auch an die Kinasedo- lung von Mamma- und Bronchialkarzinomen eingesetzt mäne bindet, ist Imatinib (Glivec), das seit 2001 erfolg- werden (7 Abschn. 54.5). Clarke PR, Allan LA (2009) Cell-cycle control in the face of da- Zusammenfassung mage – a matter of life or death. Trends Cell Biol 19:89–98 Hutchins JRA, Clarke PR (2004) Many fingers on the mitotic trig- Bei mehrzelligen Organismen wie dem Menschen finden ger: post-translational regulation of the Cdc25C phosphatase. während des ganzen Lebens Zellteilungen statt. Dabei Cell-Cycle 3:41–45 verdoppelt die Zelle ihren Inhalt, bevor sie sich in zwei Lim S, Kaldis P (2013) Cdks, cyclins and CKIs: roles beyond cell identische Tochterzellen teilt. Zellteilungen werden in cycle regulation. Deelopment 140:518–528 den streng regulierten Phasen des Zellzyklus vorbereitet. Lukas J, Lukas C, Bartek J (2004) Mammalian cell cycle check- points: signalling pathways and their organization in space and Zur Regulation der einzelnen Phasen existiert ein endo- time. DNA Repair 3:997–1007 genes Kontrollsystem. Diese „innere Uhr“ wird durch Ma HT, Poon RY (2011) Synchronization of HeLa cells. Methods cyclinabhängige Kinasen repräsentiert. Mol Biol 761:151–161 Cyclinabhängige Kinasen werden reguliert über: Malumbres M (2011) Physiological relevance of cell cycle kinases. 5 Synthese und Abbau von Cyclinen Physiol Rev 91:973–1007 Morgan DO (2007) The cell cylce: principles of control. New Science 5 Aktivierung der katalytischen Cdk-Untereinheiten Press, London durch Anlagerung der Cycline Murray AW (2004) Recycling the cell cycle: cyclin revisited. Cell 5 Phosphorylierung und Dephosphorylierung 116:221–234 5 Transkriptionsfaktoren (p53 und E2F) Novak B, Kapuy O, Domingo-Sananes MR, Tyson JJ (2010) Regu- 5 Inhibitormoleküle (CKIs) lated protein kinases and phosphatases in cell cycle decisions. Curr Opin Cell Biol 22:801–808 5 subzelluläre Lokalisation. Roovers K, Assoian RK (2000) Integration the MAP kinase signal into the G1 phase cell cycle machinery. BioEssays 22:818–826 Substrate der cyclinabhängigen Kinasen sind Strukturpro- Stein GS, Pardee AB (2004) Cell cycle and growth control. Biomole- 43 teine der Zelle, Proteine, die mit Transkriptionsfaktoren wechselwirken oder Transkriptionsfaktoren selbst. Zell- cular regulation and cancer, 2. Aufl. Wiley, New York Verschuren EW, Jones N, Evan GI (2004) The cell cycle and how it is steered by Kaposi’s sarcoma-associated herpesvirus cyclin. J proliferation wird exogen über Wachstumsfaktoren regu- Gen Virol 85:1347–1361 liert, die ihre Information über eine Signaltransduktions- Vidal A, Koff A (2000) Cell-cycle inhibitors: three families united by kaskade ins Zellinnere bis in den Zellkern weitergeben. a common sense. Gene 247:1–15 Wilkinson MG, Millar JBA (2000) Control of the eukaryotic cell cycle by MAP kinase signaling pathways. FASEB J 14:2147–2157 Weiterführende Literatur Bublil EM, Yarden Y (2007) The EGF receptor family: spearheading a merger of signaling and therapeutics. Curr Opin Cell Biol 19:124–134  707 44 Replikation – Die Verdopplung der DNA Hans-Georg Koch, Jan Brix und Peter C. Heinrich Die Informationen über den Aufbau eines Organismus, seiner Gewebe und Organe sind im Genom jeder Zelle niedergelegt 44.5 Termination – Beendigung der Replikation und dienen der Aufrechterhaltung lebensnotwendiger Vor- 5 Die Rolle von Topoisomerasen und Telomerase bei gänge. Damit diese Information an Tochterzellen weitergegeben der Replikation werden kann, wird das gesamte Genom in einem als Replika- tion bezeichneten Prozess kopiert. Die Replikation des huma- 44.6 Pathobiochemie nen Genoms beginnt an etwa 30.000–50.000 Stellen gleichzeitig 5 Dyskeratosis congenita und wird durch einen Multienzymkomplex, das Replisom, kata- 5 Hemmstoffe der Replikation lysiert. Entsprechende Kontrollmechanismen sorgen dafür, dass die Fehlerrate bei der DNA-Replikation niedrig gehalten wird. Der gesamte Bauplan eines Lebewesens ist in seiner DNA-Sequenz festgelegt und steht prinzipiell in jeder Schwerpunkte Körperzelle zur Verfügung. Die DNA-Sequenzen ent- halten die Informationen für ihre eigene Synthese und 44.1 Die DNA-Replikation ist semikonservativ für die Synthese aller RNAs und Proteine. Vor jeder 5 Die Mechanismen der semikonservativen Replika- Zellteilung muss die Zelle ihre DNA exakt replizieren tion in Pro- und Eukaryonten und dann einen eigenen vollständigen DNA-Satz an ihre Tochterzellen weitergeben. Dieser Vorgang erfor- 44.2 Das Replikonmodell dert eine komplexe Maschinerie aus Nucleotiden, En- 5 Die Bildung der Replikationsgabel und die bidirek- zymen, Regulator- und Helferproteinen, die unter tionale Replikation Energieverbrauch die DNA-Stränge mit hoher Ge- 44.3 Initiation – Start der Replikation schwindigkeit und Genauigkeit kopiert. Die korrekte 5 Der Aufbau von Replikationsstartpunkten Replikation der DNA ist das zentrale Ereignis im 5 Die Trennung des DNA-Doppelstranges durch Zellzyklus (7 Kap. 43). Die mit der DNA-Replikati- Helicasen on verknüpften Vorgänge wurden ursprünglich in 5 Die Regulation der Initiation in Eukaryonten Bakterienzellen wie E. coli untersucht. Viele der dabei gewonnenen Erkenntnisse können auf eukaryontische 44.4 Elongation – Neusynthese der DNA Organismen und damit auf Säugetiere einschließlich 5 Der Mechanismus der DNA-Polymerasen und ihre des Menschen übertragen werden. Obwohl die Grund- Korrekturaktivität prinzipien der DNA-Replikation bei pro- und eukary- 5 Das Posaunenmodell der bidirektionalen ontischen Organismen identisch sind, unterliegt die DNA-Synthese Replikation bei Eukaryonten infolge der größeren 5 Die Prozessierung der Okazaki-Fragmente Komplexität ihres Genoms einer komplizierteren Re- gulation. Ergänzende Information Die elektronische Version dieses Kapitels enthält Zusatzmaterial, auf das über folgenden Link zugegriffen werden kann https://doi.org/10.1007/978-3-662-60266-9_44. Die Videos lassen sich durch Anklicken des DOI Links in der Legende einer entsprechenden Abbildung abspielen, oder indem Sie diesen Link mit der SN More Media App scannen. © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2022 P. C. Heinrich et al. (Hrsg.), Löffler/Petrides Biochemie und Pathobiochemie, https://doi.org/10.1007/978-3-662-60266-9_44  708 H.-G. Koch et al. 44.1 Die DNA-Replikation ist Strangs dient. Damit besteht jeder aus einer Replikation semikonservativ hervorgegangene DNA-Doppelstrang aus einem paren- talen und einem neu synthetisierten Einzelstrang. Späte- Die DNA liegt in allen Organismen in Form eines Dop- re Untersuchungen haben gezeigt, dass dieser Mecha- pelstrangs mit zwei antiparallel verlaufenden Einzel- nismus der semikonservativen Replikation nicht auf strängen vor. In jedem der beiden Einzelstränge ist die Bakterienzellen beschränkt ist, sondern universell für gesamte genetische Information für einen Organismus alle Organismen gilt, deren Genom aus doppelsträngi- enthalten. ger DNA besteht. Matthew Meselson und Franklin Stahl zeigten schon 1958 in einem originellen Experiment, dass die DNA- Replikation semikonservativ erfolgt (. Abb. 44.1). Sie 44.2 Das Replikonmodell verwendeten hierzu das Bakterium E. coli, das sie über viele Generationen in einem Medium gezüchtet hatten, In Anbetracht der Komplexität der Chromatinstruktur welches das schwere Stickstoffisotop 15N anstelle des (7 Kap. 10) ist es einleuchtend, dass Zellen einen außer- normalen Isotops 14N enthielt. Danach stellten sie das ordentlich komplizierten Apparat zur Replikation ihrer Medium auf das normale Isotop 14N um. Die Ausgangs- DNA benötigen. Diesen Vorgang unterteilt man in drei DNA und die DNA der ersten und zweiten Generation Stadien: wurden in einem Dichtegradienten zentrifugiert. Wäh- 1. Initiation rend sie zu Beginn des Experiments nur eine DNA- 2. Elongation Bande mit der dem Stickstoffisotop 15N entsprechenden 3. Termination Dichte nachweisen konnten, fand sich nach einer Gene- Die gleiche Unterteilung wird auch für die Transkripti- ration in der isolierten DNA eine Dichte, die genau zwi- on und Translation (7 Kap. 46 und 48) verwendet. In schen der 15N- und 14N-markierten DNA lag. Nach zwei dem bereits 1963 aufgestellten Replikonmodell postu- Generationen wurden zwei DNA-Spezies nachgewiesen, lierten Francois Jacob, Sidney Brenner und Jacquis Cru- von denen die eine die Dichte der normalen 14N-mar- zin, dass die Initiation der Replikation an definierten kierten DNA aufwies, die zweite die intermediäre Dich- Stellen des DNA-Doppelstranges, den sog. origins of te. Dieses Ergebnis konnte nur durch die Annahme er- replication (ori; Replikationsursprünge) (. Abb. 44.2) klärt werden, dass es bei der DNA-Replikation zu einer beginnt. Durch die an dieser Stelle einsetzende Neusyn- Aufspaltung der Doppelstränge kommt, von denen these der DNA bildet sich eine Replikationsgabel, die dann jeder als Matrize für die Synthese eines neuen elektronenmikroskopisch sichtbar ist. Der ausgehend von einem origin of replication neu synthetisierte DNA- Abschnitt wird dabei als Replikon bezeichnet. Eine wichtige Frage für die DNA-Replikation war diejenige nach der Richtung, in der sich die am Replikationsur- sprung entstehende Replikationsgabel bewegt. Prinzipi- ell ist hier eine unidirektionale oder eine bidirektionale Replikation möglich, dementsprechend müssen jeweils eine bzw. zwei funktionelle Replikationsgabeln entste- hen. Durch elektronenmikroskopische Aufnahmen von replizierender DNA ist diese Frage nicht zu entscheiden. Gibt man jedoch während der DNA-Replikation radio- aktive Desoxyribonucleotide zu, werden die aktiven Re- plikationsgabeln markiert: Im Falle der unidirektiona- len Replikation nur eine, bei bidirektionaler Replikation jedoch beide. Dabei hat sich gezeigt, dass pro- und euka- 44 ryontische Chromosomen durch bidirektionale Replika- tion verdoppelt werden (. Abb. 44.2). > Die Replikation der eukaryontischen Chromosomen. Abb. 44.1 Nachweis des semikonservativen Mechanismus der beginnt an mehreren Stellen gleichzeitig. DNA-Replikation. (Einzelheiten s. Text) Replikation – Die Verdopplung der DNA 709 44 Die ringförmigen Chromosomen der Bakterien besitzen nur einen Replikationsursprung. Das Chromosom von E. coli besteht aus etwa 4,6 ∙ 106 Basenpaaren, deren vollständige bidirektionale Replikation etwa 50 min be- nötigt (bei einer Replikationsgeschwindigkeit von etwa 5 ∙ 104 Basenpaaren/min). Allerdings kann es bei schnell wachsenden Zellen bereits vor Abschluss der Replikati- on und Zellteilung zu einer erneuten Re-Initiation der Replikation kommen, sodass in Bakterien eine kontinu- ierliche DNA-Replikation stattfinden kann. Dies er- möglicht schnell wachsenden E. coli-Zellen, sich etwa alle 30 min zu teilen. Im Unterschied zu Bakterien ist die Replikation in Eu- karyonten nicht kontinuierlich, sondern auf die etwa 6–12 h dauernde Synthesephase (S-Phase) des Zellzyklus (7 Kap. 43) beschränkt. Darüber hinaus wird die Replika- tion in Eukaryonten während des gesamten Zellzyklus nur exakt einmal initiiert. Die menschliche DNA-Polymerase (Replikationsgeschwindigkeit etwa 3 ∙ 103 Basenpaare/ min) würde aber bei nur einem Replikationsursprung allein für das humane Chromosom 1 (2,5 ∙ 108 Basenpaa- re) etwa 29 Tage für dessen vollständige Replikation be- nötigen. Es ist daher von vornherein ausgeschlossen, dass jedes menschliche Chromosom nur ein Replikon darstellt; stattdessen beginnt die Replikation eukaryontischer Chro- mosomen an vielen Replikationsursprüngen gleichzeitig (. Tab. 44.1). Man schätzt, dass im menschlichen Genom etwa 30.000–50.000 Replikationsursprünge vorhanden sind, allerdings wird nur etwa 1/5 dieser Replikationsur- sprünge tatsächlich während eines Zellzyklus genutzt. Ob dies an einer ineffizienten Erkennung der menschlichen Re- plikationsursprünge liegt oder ob hier ein spezieller Regu- lationsmechanismus zugrunde liegt, ist unbekannt. Die hohe Zahl an Replikationsursprüngen könnte auch für eine schnelle Replikation in bestimmten Entwicklungs- phasen notwendig sein. So dauert die S-Phase während der frühen Entwicklungsphase von Xenopus weniger als 15 min und es werden Replikationsursprünge alle etwa 10–15 kb erkannt. Der Ablauf der DNA-Replikation in Anwesenheit zweier Replikationsblasen ist schematisch in. Abb. 44.3 dargestellt. Die Replikation erfolgt in den Re- plikationsblasen bidirektional und wird dadurch beendet, dass zwei aufeinander zulaufende Replikationsblasen mit- einander verschmelzen und spezielle Terminationsproteine zur Ablösung der an der Replikation beteiligten Enzyme. Abb. 44.2 (Video 44.1) Replikation des aus einem Replikon beste- von der DNA führen. Die im Vergleich zu Bakterien deut- henden, ringförmigen, bakteriellen Chromosoms. (Einzelheiten s. Text) lich geringere Replikationsgeschwindigkeit bei Eukaryon- (7 https://doi.org/10.1007/000-5m5) ten hat ihre Ursache vermutlich in dem wesentlich kom-  710 H.-G. Koch et al.. Tab. 44.1 Pro- und eukaryontische Replikons (bp: Basenpaare) Organismus Replikons Durchschnittliche Länge (Mbp) Replikationsgeschwindigkeit (bp/min) Beispiel Bakterium 1 4,6 50.000 E. coli Hefe 500 25 3600 S. cerevisiae Fruchtfliege 3500 50 2600 D. melanogaster Säugetier 30.000-50.000 120 3000 H. sapiens Pflanze 35.000 3400 Unbekannt F. assyriaca Sequenzeigenschaften der Replikationsursprünge bei hö- heren Eukaryonten ist bislang nur wenig bekannt. Die bis- herigen Daten deuten darauf hin, dass hier die Replikati- onsursprünge häufig innerhalb von CpG Inseln liegen, also Bereichen, die einen hohen Anteil der aufeinander- folgenden Basen Cytosin und Guanin enthalten. Da Cyto- sin in diesen CpG Inseln häufig methyliert wird, erscheint eine Kontrolle der Replikationsinitiation durch Methy- lierung wahrscheinlich. Zusätzlich enthalten menschliche Replikationsursprünge sehr häufig ein Guanin-reiches Se- quenzelement (origin G-rich element, OGRE), was zur Bil- dung von G-Quadruplex-Strukturen (7 Kap. 10) führt,. Abb. 44.3 Replikation eukaryontischer DNA mithilfe multipler die ebenfalls die Strangtrennung erleichtern. Diese Daten Replikationsblasen. (Einzelheiten s. Text) deuten darauf hin, dass die Replikationsursprünge in Ein- zellern (pro- und eukaryontisch) und Mehrzellern sehr plexeren Aufbau der Chromosomen. Experimente mit unterschiedlich aufgebaut sind. Trotz dieser offensichtli- radioaktiv-markierten Histonen deuten darauf hin, dass chen Unterschiede ist der Prozess der Initiation bei Ein- die Nucleosomen (7 Kap. 10) direkt vor der Replikations- und Mehrzellern erstaunlich ähnlich. gabel aufgelöst werden und die freigesetzten Histone un- In E. coli wird der Replikationsursprung zunächst mittelbar an die neusynthetisierten DNA-Stränge binden. durch das DNA-Doppelstrang-bindende Protein DnaA Dieses Histon-remodeling ist vermutlich für die geringere erkannt (. Abb. 44.4). DnaA gehört zur Familie der Replikationsgeschwindingkeit bei Eukaryonten verant- AAA+-ATPasen (ATPases associated with various cellular wortlich. activities), einer sehr heterogenen Proteinfamilie, die als Oligomere an einer Vielzahl biologischer Prozesse betei- ligt sind. DnaA enthält neben der AAA-ATPase-Domäne 44.3 Initiation – Start der Replikation auch eine Helix-turn-Helix-Domäne (HTH), die die In- teraktion mit der doppelsträngigen DNA ermöglicht. Die > Die Initiation der Replikation in Pro- und Eukaryon- initiale Bindung von DnaA an den Replikationsursprung ten folgt den gleichen Prinzipien. löst die Bildung von DnaA-Filamenten aus und bewirkt gleichzeitig eine ATP-abhängige Strangöffnung. Während Der Befund, dass die DNA-Replikation semikonservativ die HTH-Domäne ausschließlich doppelsträngige DNA erfolgt, weist schon auf eine wesentliche Voraussetzung bindet, kann die AAA-Domäne auch mit einzelsträngiger für den Replikationsvorgang hin: die DNA-Doppelsträn- DNA interagieren. Im nächsten Schritt bildet die Helicase ge müssen zunächst an den Replikationsursprüngen in DnaB mithilfe des DnaC Proteins einen hexameren Ring 44 Einzelstränge getrennt werden, damit die Replikation be- um jeden der beiden entstandenen Einzelstränge. Sowohl ginnen kann. Da A–T-Basenpaare lediglich durch zwei DnaB als auch DnaC enthalten eine AAA-ATPase Do- Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden und da- mäne und die Funktion von DnaC scheint primär darin mit leichter voneinander zu trennen sind als G-C Basen- zu bestehen, den hexameren DnaB Ring kurzfristig zu paare, findet man bei bakteriellen Replikationsursprüngen öffnen, um die DNA einfädeln zu können. DnaC wird da- repetitive A–T-reiche Sequenzen. In Hefe werden sie auch her auch als DnaB-Lader (DnaB loader) bezeichnet. als ARS (autonomously replicating sequence) bezeichnet Nachdem DnaC abdissoziiert, entspiralisiert DnaB die und enthalten ebenfalls AT-reiche Sequenzen. Über die DNA in einem ATP-abhängigen Prozess weiter. Damit Replikation – Die Verdopplung der DNA 711 44 origin of replication DnaA-ATP AAA-Domäne Erkennen des origins HTH-Domäne Lokale Strangtrennung DnaB (Helicase) DnaC (Helicase-Lader) Bindung der Helicase. Abb. 44.4 (Video 44.2) Die Initiation der Replikation in Bakte- AAA-Domäne (AAA-Domäne). Die Einzelstrangbereiche werden rien. Der origin of replication (ori) ist im DNA-Doppelstrang rot zusätzlich über SSBs: single-stranded binding proteins (Einzelstrang- markiert. Das ori-erkennende Initiatorprotein DnaA enthält eine bindungsprotein) stabilisiert, die hier nicht gezeigt sind. (Einzelhei- Helix-turn-Helix-Domäne (HTH-Domäne) und eine ATP-bindende ten s. Text) (7 https://doi.org/10.1007/000-5m0) sich die getrennten DNA-Stränge hinter der vorrücken- ten die Gefahr von Strangbrüchen besteht. Die Zelle den Helicase nicht wieder zusammenlagern, stabilisiert muss daher über die Möglichkeit verfügen, die Super- das einzelstrangbindende Protein SSB (single strand bin- spiralisierungen aufzulösen. Die hierfür verantwortli- ding protein) den DNA-Einzelstrang. SSBs bilden Tetra- chen Enzyme werden Topoisomerasen genannt, von de- mere, um die sich der DNA-Einzelstrang herumwindet. nen es zwei unterschiedliche Formen gibt (. Abb. 44.5): Elektronenmikroskopisch ähneln diese Strukturen den 5 Topoisomerase I: Diese Enzyme spalten einen DNA- aus Histonen und Doppelstrang-DNA aufgebauten Nuc- Einzelstrang, indem die OH-Gruppe eines Tyrosylres- leosomen (7 Kap. 10). tes des Enzyms die Phosphodiesterbindung nucleo- Die lokale Entwindung des ringförmigen DNA- phil angreift und damit einen Einzelstrangbruch Doppelstranges durch die Helicase erhöht zwangsläufig erzeugt. Die benachbarten Enden der Doppelhelix die Torsionsspannung im verbleibenden Teil der Helix. können sich nun bis zur Entspannung gegeneinander Durch die Bildung sog. Superhelices kann dies zwar drehen, anschließend werden die Strangenden wieder z. T. kompensiert werden, allerdings dürfen sich auch miteinander verknüpft (. Abb. 44.5). Nach dieser die Superhelices nicht unbegrenzt ausbilden, da ansons- Entspiralisierung kreuzen sich die beiden DNA-Strän-  712 H.-G. Koch et al.. Abb. 44.5 (Video 44.3) Reaktionsmechanismus der Topoisomerase I. Zur Vereinfachung ist der DNA-Doppelstrang nicht in superspirali- sierter Form dargestellt. (Einzelheiten s. Text) (7 https://doi.org/10.1007/000-5m1) ge weniger als zuvor. Die Reaktion der Topoisomera- reicht, dass sich bereits während der G1-Phase des Zellzy- se I erfolgt ATP-unabhängig. klus ein zunächst inaktiver Präinitiationskomplex bildet. 5 Topoisomerase II: Topoisomerasen des Typs II kön- Für die Bildung dieses Präinitiationskomplexes erkennt nen Superspiralisierungen dadurch beheben, dass sie der ORC-Komplex (origin recognition complex) zunächst in einer ATP-abhängigen Reaktion beide Stränge den Replikationsursprung. Der ORC-Komplex besteht durchtrennen, die DNA entspannen und anschlie- aus sechs Proteinen, von denen fünf eine AAA-ATPa- ßend wieder miteinander verknüpfen. Ein Sonderfall se-Domäne besitzen. Im Unterschied zu der bakteriellen sind die bakteriellen Topoisomerasen II, die auch als Initiation bewirkt die Bindung des ORC-Komplexes an Gyrasen bezeichnet werden. Diese Klasse von Enzy- die DNA noch keine Strangtrennung, diese wird erst men ist imstande, unter ATP-Verbrauch Superheli- durch Bindung der Helicase erreicht. Im nächsten ces in ringförmige DNA-Moleküle einzuführen. Ein Schritt werden die Proteine Cdc6 und Cdt1 rekrutiert gewisser Grad an Superspiralisierung ist bei Proka- (. Abb. 44.6). Beide Proteine sind notwendig, um den ryonten eine Voraussetzung dafür, dass Replikation Helicasekomplex Mcm auf der DNA zu verankern; sie in- und Transkription korrekt ablaufen können. Der hibieren aber gleichzeitig die Helicaseaktivität von Mcm Grund hierfür ist möglicherweise, dass die Superspi- und verhindern so die Entspiralisierung der DNA wäh- ralisierung die notwendige Strangtrennung erleich- rend der G1-Phase. Eine zusätzliche Hemmung wird durch tert. Hemmstoffe der Gyrase werden als Antibiotika Sumoylierung (7 Kap. 49) von Mcm in der G1-Phase er- verwendet (s. u.). reicht. Nach Eintritt der Zelle in die S-Phase kommt es zur Aktivierung cyclinabhängiger Kinasen (Cdks, 7 Kap. 43), > Die Initiation der Replikation bei Eukaryonten wird die Cdc6 phosphorylieren und damit die Dissoziation von dem Mcm-Komplex bewirken. Der Mcm-Komplex be- 44 durch cyclinabhängige Kinasen reguliert. ginnt dann die ATP-abhängige Entspiralisierung der Die grundlegenden Mechanismen der Initiation der Repli- DNA. Gleichzeitig verhindern die cyclinabhängigen Ki- kation unterscheiden sich nicht bei Pro- und Eukaryonten nasen durch Phosphorylierung des ORC-Komplexes die (. Tab. 44.2), allerdings muss in Eukaryonten sicherge- Bildung neuer Initiationskomplexe während der S-Phase. stellt werden, dass die Replikation erst während der Da die Bildung des Initiationskomplexes nur während der S-Phase des Zellzyklus beginnt und die Initiation an je- G1-Phase, seine Aktivierung aber nur während der S-Pha- dem der etwa 30.000–50.000 Replikationsursprünge nur se erfolgen kann, wird sichergestellt, dass die Replikation genau einmal erfolgt (. Tab. 44.2). Dies wird dadurch er- erst während der S-Phase beginnt und die Initiation jedes Replikation – Die Verdopplung der DNA 713 44. Tab. 44.2 An der DNA-Replikation in Pro- und Eukaryonten beteiligte Proteine Phase Prokaryonten Eukaryonten Funktion Initiation DnaA ORC (origin recognition Erkennen des Replikationsursprungs und ATP-abhängige complex) lokale Entspiralisierung DnaB Mcm-Komplex (mini DNA-Helicase zur ATP-abhängigen Entspiralisierung der chromosome maintenance DNA proteins) DnaC Cdc6 und Cdt1 Verankerung von DnaB bzw. Mcm-Komplex an der DNA Topoisomerasen I und II Topoisomerasen I und II Verhinderung von Strangbrüchen durch Auflösung von (Gyrasen) Superspiralisierung SSBs (single strand binding RPA (replication protein Einzelstrang-bindende Proteine zur Verhinderung der proteins) A) Reassoziation getrennter Doppelstränge Elongation Primase (DnaG) Primase Synthese der RNA-primer; in Eukaryonten Bestandteil der DNA-Polymerase α Polymerase α Verlängert den RNA-primer um einige Desoxyribonucleotide, bevor die Polymerasen δ/ε die weitere Verlängerung übernehmen γ-Komplex RFC (replication factor Clamp loader; verantwortlich für die ATP-abhängige C) Verankerung der β- bzw. PCNA-Untereinheit der DNA- Polymerase β-Untereinheit PCNA (proliferating cell Ringförmige Untereinheit der DNA Polymerase, die das nuclear antigen) Enzym auf der DNA verankert; auch sliding clamp (Gleitring) genannt; entscheidend für die Prozessivität der DNA-Polymerasen Polymerase III Synthese des Führungsstranges und des Verzögerungsstranges Polymerase δ Synthese des Verzögerungsstranges zusammen mit Polymerase α Polymerase ε Vermutlich Synthese des Führungsstrangs Polymerase I FEN-1 (flap Entfernen der RNA-primer (Exonucleaseaktivität) endonuclease 1) RNase H RNase H Polymerase I Polymerase δ Auffüllen der Lücke, die durch Entfernung der RNA-primer (Polymeraseaktivität) entstanden ist DNA-Ligase DNA-Ligase ATP- oder NAD+-abhängige Bildung der Phosphodiesterbindung Termination Tus (terminator utiliziation Rtf1 (replication Die Replikation stoppt beim Zusammentreffen zweier substance) termination factor 1) Replikationsgabeln; zusätzlich existieren spezielle Terminationssequenzen, die durch Terminationsproteine erkannt werden Topoisomerase II (Gyrase) Trennung der beiden ringförmigen Tochterchromosomen Telomerase Ermöglicht die vollständige Replikation von Chromosomenenden bei linearen Chromosomen  714 H.-G. Koch et al. ORC (origin recognition complex) Replikationsursprungs nur genau einmal erfolgt. Es wer- DNA den nicht alle Replikationsursprünge in Eukaryonten gleichzeitig erkannt, allerdings stellt deren große Zahl si- cher, dass das gesamte Genom innerhalb der S-Phase re- origin pliziert werden kann. Cdc6 Cdt1 G1-Phase 44.4 Elongation – Neusynthese der DNA Mcm (Helicase) > Für die Elongation während der Replikation sind DNA-Polymerasen verantwortlich. Inaktiver Prä-Initiationskomplex Nach Trennung des DNA-Doppelstranges in die beiden Einzelstränge und deren Stabilisierung durch SSBs (single strand binding proteins) erfolgt die Neusynthese der DNA. Diese auch als Elongation bezeichnete Reaktion wird durch DNA-Polymerasen katalysiert. Sowohl Pro- Abbau von als auch Eukaryonten enthalten mehrere DNA-Polyme- Cdk-vermittelte phosphory- rasen (. Tab. 44.3). In E. coli sind fünf verschiedene En- Phosphorylierung liertem Cdc6 zyme identifiziert worden, in Säugetieren existieren dagegen 14 verschiedene Polymerasen, von denen vie- le spezifisch an DNA-Reparaturmechanismen beteiligt Phosphorylierung von ORC sind (7 Abschn. 45.2). Während der Replikation bilden die DNA-Polymerasen zusammen mit anderen Proteinen am Replikationsursprung einen Proteinkomplex, der auch Beginn der als Replisom bezeichnet wird und der vermutlich an der S-Phase Replikation DNA entlang wandert. Allerdings gibt es auch Hinweise darauf, dass die Replikation in Eu- und Prokaryonten an definierten Stellen innerhalb der Zelle bzw. des Nucleus stattfindet. Dies deutet darauf hin, dass möglicherweise mehrere Schritte nicht das Replisom wandert, sondern die DNA kontinu- ierlich durch ein stationäres Replisom gefädelt wird. Das Replisom enthält in E. coli u. a. die Helica- se DnaB, die Primase DnaG und die DNA-Polymerase III (. Tab. 44.2). Die Interaktionen der verschiedenen Pro- Ende der Replikation teine in dem Replisomkomplex sind entscheidend für die Geschwindigkeit der DNA-Neusynthese. Durch den Kontakt mit der DNA-Polymerase III wird die Ge- schwindigkeit der Helicase etwa 10-fach erhöht, d. h. falls der Kontakt mit der Polymerase verlorengeht, reduziert. Abb. 44.6 (Video 44.4) Mechanismus der Initiation der DNA- sich gleichzeitig die Geschwindigkeit der DNA-Entspira- Replikation bei Eukaryonten. Der Replikationsursprung wird durch lisierung. Damit wird verhindert, dass die Helicase der den ORC-Komplex (origin recognition complex) erkannt. Anschlie- DNA-Polymerase davonläuft. Der Kontakt zur Helicase ßend binden Cdc6 (cell division cycle 6), Cdt1 (cdc10-dependent tran- script 1) und die Helicase Mcm (mini chromosome maintenance pro- stimuliert auch die Primase, eine spezialisierte RNA-Poly- 44 tein) und bilden einen inaktiven Präinitiationskomplex, der erst merase, die kurze RNA-Stücke (5–10 Nucleotide) als während der Synthesephase durch cyclinabhängige Kinasen (Cdks) Startermoleküle (primer) synthetisiert. Diese primer sind durch Phosphorylierung aktiviert werden kann. (From Molecular notwendig, da die DNA-Polymerasen keine de novo-Syn- Biology Of the cell, fifth edition by Bruce Alberts, et al. Copyright © these durchführen können, sondern lediglich ausgehend 2008, 2002 by Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter. Us