mini|430x430px|Schema der DNA-Replikation. Ausgehend vom Replikationsursprung werden die neuen – zu den Muttersträngen antiparallel verlaufenden – Tochterstränge synthetisiert. Die DNA-Basen sind im Bereich der Topoisomerase bzw. Helikase im Sinne der Übersichtlichkeit nicht vollständig dargestellt.
Replikation oder Reduplikation bezeichnet in der Biologie die Vervielfältigung der Nukleinsäuremoleküle als Träger der Erbinformation einer Zelle oder eines Virus. Die Vervielfältigung kann das gesamte Genom aus DNA bzw. RNA betreffen oder auch nur einzelne Chromosomen oder Segmente. Die Reduplikation genannte Verdopplung der DNA in der Synthese-Phase des Zellzyklus geht einer Mitose voraus und betrifft gewöhnlich den gesamten Chromosomensatz. Doch können in Zellzyklen mancher spezialisierter somatischer Zellen bei Eukaryoten auch Teile ihres Genoms unterschiedlich behandelt werden: bestimmte DNA-Sequenzen werden amplifiziert; andere DNAs werden nicht multipliziert und bleiben unterrepliziert in nachfolgenden Zyklen. In solchen Fällen der Differenzierung auf DNA-Ebene wird der allgemeinere Ausdruck Replikation für die zelluläre DNA-Synthese bevorzugt.
Der molekulare Mechanismus der Re(du)plikation doppelsträngiger DNA ist stets semikonservativ (von und conservare ‚erhalten‘).R. Chaudhry, S. S. Bhimji: Biochemistry, DNA Replication. StatPearls Publishing; 2018. PMID 29489296. Die DNA-Doppelhelix wird enzymatisch in ihre beiden Stränge aufgetrennt; dann katalysieren DNA-Polymerasen an jedem Einzelstrang die komplementäre Ergänzung zu einer halbkonservativen (= halbneuen) DNA-Doppelhelix. „Komplementär“ bedeutet, dass der vereinzelte, konservative DNA-Strang die Basen-Abfolge (Sequenz) seines künftig gegenüberliegenden Stranges eindeutig bestimmt. Jede Base eines DNA-Nukleotids kann nach den Regeln der Basenpaarung nur mit einem festgelegten Partner über Wasserstoffbrücken stabil binden (Adenin ↔ Thymin; Guanin ↔ Cytosin).
Bei RNA-VirenCraig E. Cameron: Viral Genome Replication. Springer Science & Business Media, 2009, ISBN 978-0-387-89456-0, S. 201. und Retroviren ist deren RNA in die Definition der Replikation eingeschlossen. Alle Viren verwenden zum Replizieren, da sie keinen eigenen Stoffwechsel haben, die notwendigen Ausgangsstoffe der Wirtszelle, teilweise auch deren Enzyme.Tai-An Cha, Bruce M. Alberts: In vitro studies of the T4 bacteriophage DNA replication system. In: Thomas Kelly, Bruce Stillman (Hrsg.): Cancer Cells. 6: Eukaryotic DNA replication. CSH Laboratory, Cold Spring Harbor 1988: 1–10. ISBN 0-87969-308-8.
Zusammenfassung des Replikationsvorgangs Replikation ist die Vervielfältigung von Nukleinsäuremolekülen. In Zellen sind die in Form einer Doppelhelix als DNA-Doppelstrang vorliegenden Nukleinsäuremoleküle die Träger der Erbinformation. Sie liegen bei (eukaryonten) Zellen mit Zellkern im Kern (Nukleus) und werden hier für eine Kernteilung vor einer Zellteilung verdoppelt. Bei der Re(du)plikation entstehen aus einem jeweils zwei gleiche DNA-Doppelstrangmoleküle. Damit kann den beiden Kernen zweier Tochterzellen je die gleiche Erbinformation zugeteilt werden.
Der Vorgang der Replikation besteht molekularbiologisch aus einer Reihe von Schritten, die mittels verschiedener Enzyme gesteuert werden. Den Aufbau neuer DNA-Stränge bewirkt ein DNA-Polymerase genanntes Enzym, das hierfür einen Einzelstrang als Matrize benötigt. Denn erst anhand dieser Vorlage kann ein komplementärer DNA-Strang synthetisiert werden, indem jeweils das passende Nukleotid mit dem vorigen verknüpft wird. Zunächst muss daher am Ort des Replikationsursprungs (Origin) durch das Enzym Topoisomerase die Drehung der Helix entwunden werden. Dann kann der Doppelstrang durch das Enzym Helikase in diesem Bereich aufgetrennt werden – unter Lösen der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren – in zwei einzelsträngige Abschnitte. Mit deren Aufspreizen wird eine sogenannte Replikationsgabel gebildet, die von einzelstrangbindenden Proteinen (SSB-Proteine) stabil gehalten wird. Nun kann eine Primase den beiden vorliegenden Einzelsträngen jeweils kurze RNA-Abschnitte anlagern, sogenannte Primer, mit denen die eigentliche Strangsynthese initiiert wird. Daran nämlich kann die DNA-Polymerase dann ansetzen und – den vorliegenden Einzelstrang als Matrize nutzend mittels Basenpaarung – fortlaufend passende Desoxyribonukleotide aneinanderknüpfen zum neuen komplementären Strang. Die DNA-Polymerase knüpft einen neuen Baustein des Polynukleotids an dessen 3′-Ende an, synthetisiert den neuen Strang also stets in 5′→3′-Richtung komplementär, während sie sich dementsprechend am antiparallelen Matrizenstrang dabei in 3′→5′-Richtung entlang bewegt.
Da die beiden jeweils als Matrize dienenden Einzelstränge des früheren Doppelstrangs auch einander komplementär sind und antiparallel zueinander verlaufen, bewegt sich eine synthetisierende DNA-Polymerase auf dem einen Matrizenstrang in Richtung der wandernden Replikationsgabel, und auf dem anderen in Gegenrichtung. An dem einen Matrizenstrang kann so der sogenannte Leitstrang (englisch leading strand) kontinuierlich synthetisiert werden. An dem anderen Matrizenstrang dagegen verläuft der Replikationsvorgang diskontinuierlich. Der gegenläufige neue Strang, Folgestrang (englisch lagging strand) genannt, muss stückweise von einer DNA-Polymerase synthetisiert werden. Dabei entstehen die sogenannten Okazaki-Fragmente. Deren RNA-Primer werden alsdann von einer anderen DNA-Polymerase durch DNA ersetzt. Anschließend können die Fragmente von einer DNA-Ligase zu einem Gesamtstrang verknüpft werden. Das Ergebnis der Replikation sind schließlich zwei (nahezu) identische DNA-Doppelstränge, bei denen jeweils eine Hälfte neu ist. Die Replikation erfolgt somit semi-konservativ, denn ein jeder Doppelstrang setzt sich aus einem vorbestehenden und einem neusynthetisierten Einzelstrang zusammen.
Semikonservatives Prinzip Schon Watson und Crick erkannten, dass die im Doppelstrang gepaarten Basen eine Voraussetzung für die Bildung neuer DNA sind: „Es ist unserer Aufmerksamkeit nicht entgangen, dass die spezifische Paarbildung, die wir hier voraussetzen, sogleich an einen möglichen Kopiermechanismus für das genetische Material denken lässt.“James D Watson: Die Doppel-Helix: Ein persönlicher Bericht über die Entdeckung der DNS-Struktur. Rowohlt, Reinbek bei Hamburg 1969; Seite 170. ISBN 3-499-16803-0.Gunther S Stent (Hrsg.): James D Watson: The double helix. A personal account of the discovery of the structure of DNA. Norton & Company, New York, London. ISBN 0-393-95075-1. Seite 129: “It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.” Drei Möglichkeiten der Replikation waren denkbar: dispersiv oder total konservativ oder halb konservativ. Letzteres Modell wurde durch den Meselson-Stahl-Versuch belegt.Matthew Meselson, Franklin W Stahl: The replication of DNA in Escherichia coli. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 44, Nummer 7, Juli 1958, S. 671–682, doi:10.1073/pnas.44.7.671, PMID 16590258, .József Szeberényi: The meselson-stahl experiment. In: Biochemistry and Molecular Biology Education. 40, 2012, S. 209, doi:10.1002/bmb.20602. ← Verständnisfragen zum Experiment. Demnach wird der Original-Doppelstrang geöffnet, anschließend dienen beide Einzelstränge in der Replikation als Vorlage (als konservative Matrize). Der neue Strang entsteht nach den Regeln der Watson-Crick-Basenpaarung. Die Replikation nach dem semikonservativen Prinzip stellt den allgemein angenommenen Mechanismus dar. Alle anderen Prinzipien sind Sonderfälle, die jeweils nur zum Teil bewiesen sind.
Da alle Bakterien sowie die Zellkerne aller Eukaryoten doppelsträngige DNA (dsDNA) enthalten, kommt dieser Replikationsmechanismus in der Natur am häufigsten vor. Ausnahmen bilden einige Mitochondrien, bei denen ein anderer Mechanismus abläuft, sowie Plasmid- und Virengenome, bei denen die Erbinformation als DNA-Einzelstrang (ssDNA) vorliegen kann. Hier musste ein gänzlich anderer Mechanismus gefunden werden: der Rolling circle. Bei Retroviren, deren Erbinformation stets in Form eines RNA-Doppel- oder -Einzelstrangs vorliegt, wird die Replikation von der Wirtszelle übernommen, indem die RNA durch eine Reverse Transkriptase in DNA umgeschrieben und in das Wirtsgenom eingebaut wird.
Das Replikon mini|Oben: Origin (O) vor der Initiation durch 2 Replikationskomplexe (PK)Unten: An den Wachstumsgabeln symmetrische DNA-Replikation; mögliche Endpunkte (Termini, T) Das Replikon ist die elementare Einheit der Replikation.François Jacob, Sydney Brenner: Sur la régulation de la synthèse du DNA chez les bacteries: l'hypothèse du replicon. In: C R Acad Sci Paris 256, 1963: 298–300. Prokaryoten und Plasmide haben meist nur ein Replikon; dieses reicht aus, um die kleinen Genome in kurzer Zeit zu multiplizieren. Ausnahmen sind einige Bakterien und Archaeen. Die großen Genome der Eukaryoten sind in mehrere beziehungsweise viele Replikationsabschnitte gegliedert. Ein Replikon wird in der Regel symmetrisch aktiv, und zwar in der S-Phase, einem Zeitfenster des Zellzyklus für die DNA-Synthese.
Mitten im Replikon sitzt der Origin, der Ursprung der Replikation. Sobald der Origin aktiviert ist, wandert je eine Replikationsgabel (Wachstumsgabel) in die eine, die andere Gabel in die entgegengesetzte Richtung. Somit entspricht einer geöffneten Gabel ihre „Zwillings-Gabel“; beide entfernen sich (idealerweise) mit gleicher Geschwindigkeit vom gemeinsamen Origin. Da DNA-Polymerasen 5' → 3' replizieren, steht auf der einen Seite des Origins zuerst die HO-Matrize als Leitstrang zur Verfügung. Auf der anderen Seite des Origins wird unausweichlich der andere Strang zum Leitstrang. Das Replikon ist in beiden Richtungen vollständig repliziert, sobald jede der beiden Gabeln auf die Replikationsgabel ihres benachbarten Replikons trifft. Ein Replikon-Ende oder Terminus besitzt in der Regel keine definierte Sequenz, fordert lediglich für das Replikon eine endliche Länge.
Origin
Eukaryoten haben sehr aktive und weniger aktive Replikations-Startstellen. Dazu gibt es schlafende Origins, die für Notfälle vorgesehen sind.Marcelina W Musiałek, Dorota Rybaczek: Behavior of replication origins in Eukaryota – spatio-temporal dynamics of licensing and firing. In: Cell cycle. Band 14, Nummer 14, 2015, S. 2251–2264, doi:10.1080/15384101.2015.1056421, PMID 26030591, (Review). Die Zahl der Replikations-Startpunkte entspricht der Größe des jeweiligen Genoms. Darmbakterium Escherichia coli: 1 Origin. Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae: ~350 Origins. Mensch Homo sapiens: 40000 bis 80000 Origins.Rachel L Creager, Yulong Li, David M MacAlpine: Snapshot: Origin of DNA-replication. In: Cell 161, April 2015.Marie-Noëlle Prioleau, David M MacAlpine: DNA replication origins – where do we begin? In: Genes & development. Band 30, Nummer 15, 08 2016, S. 1683–1697, doi:10.1101/gad.285114.116, PMID 27542827, (Review).
Replikationsgabel Mit Pulsen radioaktiver Markierung gelang es bei Zellen des Chinesischen Hamsters und bei HeLa-Zellen, die DNA-Synthese im Lichtmikroskop anschaulich zu machen. Die chromosomale DNA besteht aus Tandem-Abschnitten (Replikons), in denen die (Mutter-)DNA in gabelartigen Wachstumspunkten repliziert. Der Fortschritt einer Gabel wurde auf höchstens 2,5 Mikrometer in der Minute geschätzt. Wichtig ist auch, dass benachbarte Gabeln gleichzeitig aktiv werden.Joel A Huberman, Arthur D Riggs: On the mechanism of DNA replication in mammalian chromosomes. In: J Mol Biol 32, 2, 1968: 327–334. Abstract. Damit ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass sich die Replikationzeit des Euchromatins von der des Heterochromatins unterscheidet.
Molekulargenetische Untersuchungen ergaben Modelle für die submikroskopischen Details der Gabel: