Als Ribosomale DNA (rDNA) werden jene Abschnitte der Desoxyribonukleinsäure (DNA) bezeichnet, die die Gene für ribosomale RNA (rRNA) enthalten. Solche Ribonukleinsäuren (RNA) sind ein funktionell wesentlicher Bestandteil der Ribosomen, an denen die Proteinbiosynthese stattfindet. Die einzelnen rRNA-Stränge entstehen jeweils durch Transkription von rDNA-Abschnitten. Es gibt verschiedene Arten von rRNA, die zentrale Funktionselemente von Ribosomen sind; sie werden nicht wie mRNA in Proteine übersetzt (translatiert).
In eukaryotischen Zellen gibt es rDNA nicht nur im Zellkern, sondern auch in den Mitochondrien, und bei Pflanzen zusätzlich in den Plastiden. Die von ihnen abgelesene rRNA wird nur in den Ribosomen dieser Organellen verwendet, nicht im Cytoplasma. Mitochondrien- und Plastiden-rDNA ähnelt von der Sequenz her der rDNA in Prokaryoten, wodurch die Endosymbiontentheorie gestützt wird.
Eukaryotische Zellen benötigen große Mengen rRNA. Daher kommt rDNA in vielen Kopien vor. Für rDNA sind tandemartig hintereinander liegende Kopien typisch, eine Form repetitiver DNA. Der Mengenanteil der rDNA am Genom ist für verschiedene Organismen unterschiedlich. Beim Menschen sind es etwa 0,4 %, auf 10 der 46 Chromosomen, bei Drosophila melanogaster etwa 17 %.
Es werden nicht in allen Zellen immer alle rDNA enthaltenden chromosomalen Abschnitte abgelesen und für die rRNA-Synthese verwendet. Die aktiven rDNA-Abschnitte sind im Zellkern auf einen oder wenige dichte Bereiche konzentriert, die Nucleoli (auch: Nukleoli; Einzahl: Nucleolus) oder Kernkörperchen. Die rDNA enthaltenden Abschnitte werden daher auch als „Nucleolus organisierende Regionen“ (NORs) bezeichnet. Prokaryoten, Mitochondrien und Plastiden bilden keinen Nukleolus aus.
rDNA bei Prokaryoten Obwohl Archaeen und Bakterien eigene Reiche bilden, ist ihre rRNA und auch ihre rDNA ähnlich organisiert. Beide Typen von Prokaryoten besitzen typischerweise nur drei verschiedene rRNAs: 16S-, 23S- und 5S-rRNA. Deren Gene liegen häufig als Cluster zusammen und werden gemeinsam transkribiert, sie bilden also ein Operon.
Bakterien Die Anzahl der rDNA Operons bei Bakterien kann variieren, z. B. zwei bei Mollicutes, sieben bei Escherichia coli oder zehn bei Bacillus subtilis. Die Operons werden meist mit durchlaufenden Buchstaben bezeichnet (bei E. coli: rrnA bis rrnG). Oft, etwa bei E. coli enthält der rDNA-Cluster auch Gene für tRNAs.J. Brosius, T. J. Dull, D. D. Sleeter, H. F. Noller: Gene Organization and Primary Structure of a Ribosomal RNA Operon from „Escherichia coli“. In: J. Mol. Biol. 148/1981, S. 107–127 Welche und ob tRNA-Gene enthalten sind, ist sehr variabel.
Das Primärtranskript der prokaryotischen rDNA wird als 30S-prä-rRNA bezeichnet. Die 16S- und die 23S-rRNA werden durch die Ribonuclease III herausgeschnitten. Der „Feinschnitt“ und die Bearbeitung der 5S-rRNA und der tRNAs erfolgt durch weitere RNA schneidende Enzyme. Damit nicht auch die funktionellen rRNA-Bereiche geschnitten werden, werden diese gleich nach der Transkription methyliert und somit geschützt.
Durch die große Vielfalt der Bakterien gibt es auch Sonderentwicklungen. Bei Mykoplasmen liegt zum Beispiel die 5S-rDNA separiert von der 16S- und 23S-rDNA vor.C. Taschke, M.-Q. Klinkert, J. Wolters, R. Herrmann: Organization of the ribosomal RNA genes in „Mycoplasma hyopneumoniae“: The 5S rRNA gene is separated from the 16S and 23S rRNA genes. In: Mol Gen Genet. 205/1986, S. 428–433 Beim Planctomycet Planctomyces limnophilus sind zwei Sätze ribosomaler Gene vorhanden, die 16S-rDNA liegt jeweils separat von den nahe beieinander liegenden Clustern aus 23S- und 5S-rDNA.N. Ward-Rainey, F. A. Rainey, E. M. H. Wellington, E. Stackebrandt: Physical Map of the Genome of „Planctomyces limnophilus“, a Representative of the Phylogenetically Distinct Planctomycete Lineage. In: Journal of Bacteriology. April 1996, S. 1908–1913
Archaeen Bei einigen Archaeen liegt die 5S-rDNA etwas weiter entfernt von den anderen beiden rDNAs. Mitunter (z. B. bei Thermococcus celer) gibt es auch eine weitere, wenige 1000 Basenpaare entfernte 5S-rDNA.H. Neumann, A. Gierl, J. Tu, J. Leibrock, D. Staiger, Wolfram Zillig: Organization of the Genes for Ribosomal RNA in Archaebacteria. In: Mol Gen Genet. 192/1983, S. 66–72
rDNA bei eukaryotischen Organellen Die rDNAs von Mitochondrien und von Plastiden sind prinzipiell prokaryotenähnlich,Z. Schwarz, H. Koessel: The primary structure of 16 S rDNA from „Zea mays“ chloroplast is homologous to „E. coli“ 16-S rRNA. In: Nature. 283/1980, S. 739–742 weisen jedoch viele Sonderentwicklungen auf.
Plastiden Der Ribosomenaufbau, die Grundreihenfolge der rRNA-Gene (16S-23S-5S) und deren Sedimentationskoeffizient (70S) sind prokaryotenähnlich. Es gibt auch in der Chloroplasten-rDNA tRNA-Gene in der Transkriptionseinheit. Die rDNA-Cluster können hinsichtlich der Länge, der tRNA-Gene und auch der Introns innerhalb der rRNA-Gene erhebliche Unterschiede aufweisen. Mitunter wird spekuliert, dass die Chloroplastengenome der pflanzlichen Großgruppen unterschiedlicher Herkunft sein könnten.
In höheren Pflanzen wie Tabak (Nicotiana tabacum) und Reis (Oryza sativa) wurde abweichend von der Grundstruktur noch eine 4,5S-rDNA zwischen der 5S- und der 23S-rDNA beschrieben. Diese ist homolog mit dem 3'-Ende der 23S-rDNA.K. Edwards, J. Bedbrook, T. Dyer, H. Kössel: 4.5S rRNA from „Zea mays“ chloroplasts shows structural homology with the 3’-end of prokaryotic 23S rRNA. In: Biochem. Int. 2/1981, S. 533–538 Die 4,5S-rRNA ist mit der 23S- und der 5S-rRNA Teil der großen Ribosomenunterheit. Die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii besitzt zwischen der 16S- und 23S-rDNA noch eine 7S- und eine 3S-rDNA. Diese Kombination ist in dieser Alge einzigartig.
Die rDNA befindet sich häufig in den sogenannten „Inverted Repeats“, zwei langen, gegenläufigen Wiederholungseinheiten, z. B. bei der ursprünglichen Glaucocystaceae Cyanophora paradoxa, dem Olisthodiscus luteus (Raphidophyceae) und den meisten grünen Pflanzen. Bei vielen Schmetterlingsblütengewächsen und bei Kiefern ist der inverted repeat sekundär verloren gegangen.M. Sugiura: The chloroplast genome. In: Plant Molecular Biology. 19/1992, S. 149–168 Bei der Rotalge Porphyra purpurea und bei Euglena gracilis gibt es keine Inverted Repeats.J. D. Palmer: Comparative organization of chloroplast genomes. In: Ann. Rev. Genet. 19/1985, S. 325–354 Bei Euglena liegen drei Repeats und eine zusätzliche 16S-rDNA in direkten Wiederholungseinheiten zusammen. Bei manchen Chromalveolata, z. B. bei DinoflagellatenC. J. Howe, R. Ellen, R. Nisbet, A. C. Barbrook: The remarkable chloroplast genome of dinoflagellates. In: Journal of Experimental Botany. 59(5), März 2008, S. 1035–1045, doi:10.1093/jxb/erm292 und Braunalgen, wie Pylaiella littoralis, gibt es mehrere Plastidenchromosomenringe. Bei P. littoralis liegt die rDNA auf einem Ring wie bei grünen Pflanzen in inverted repeats vor. Im kleinen Chromosomenring liegen ein 16S-Pseudogen und davon entfernt ein zweigeteiltes 23S-rDNA-Gen vor.
Mitochondrien Die Anordnung der rDNA in Mitochondrien ist sehr heterogen. Sie ist häufig stark von der prokaryotischen Form abgewandelt, sodass zeitweise die Hypothese vertreten wurde, dass die Endosymbiose von Mitochondrien während der Evolution mehrfach stattgefunden habe.
Üblicherweise, so auch beim Menschen, sind nur noch zwei rRNA-Gene vorhanden, je eines für die rRNA der großen und der kleinen Untereinheit der Ribosomen. Beide Gene können mitunter entfernt voneinander liegen. Die gebildeten rRNAs sind bedeutend kleiner als die der Prokaryoten: Bei Tieren 12S in der kleinen Ribosomenuntereinheit und 16S in der großen, bei Pilzen 15S in der kleinen und 21S in der großen Untereinheit.
Eine eigenständige, der 5S-rDNA ähnliche Version wurde nur in einigen Grünalgen (z. B. Prototheca wickerhamii), in Landpflanzen und in dem Einzeller Reclinomonas americana beschrieben. Reclinomonas gilt als ursprünglichster mitochondrienbesitzender Eukaryot. In Rotalgen hingegen, die den grünen Pflanzen evolutionär näher stehen als dieser, ist die 5S-rDNA wiederum nicht mehr nachzuweisen.
Nur bei den Landpflanzen liegt die rDNA noch in Form eines Operons vor.C. Leblanc, O. Richard, B. Kloareg: Origin and evolution of mitochondria: what have we learnt from red algae? In: Current Genetics. 31/1997, S. 193–207 Bei Grünalgen, wie Chlamydomonas reinhardtii sind die rDNA-Gene gestückelt und auch von anderen Genen unterbrochen. Auch bei Reclinomonas ist die Organisation als Operon nicht mehr deutlich.
rDNA im Zellkern der Eukaryoten 400px|mini|Aufbau der Transkriptionseinheiten, hier als rDNA-Repeats bezeichnet, und deren repetitive gleichgerichtete („tandemartige“) Anordnung Die cytoplasmatischen Ribosomen der Eukaryoten enthalten vier verschiedene rRNAs. Diese können bis zu 90 % der Gesamt-RNA einer Zelle ausmachen. Für die Produktion derart großer Mengen werden für jede der vier rRNAs viele Gene benötigt. Die Gene von dreien (die der 18S-, 5,8S- und 28S-rRNA) liegen jeweils direkt hintereinander und werden gemeinsam transkribiert, und zwar von der RNA-Polymerase I. Solche Transkriptionseinheiten liegen in großer Zahl als tandemartige Wiederholungseinheiten (engl.: Repeats) vor, sie bilden die eigentliche rDNA (siehe Abbildung). Im mikroskopischen Bild der Metaphase können die Wiederholungseinheiten als sekundäre Einschnürungen (Konstriktionen) gesehen werdenT. Schmidt, T. Schwarzacher, J. S. Heslop-Harrison: Physical mapping of rRNA genes by fluorescent in-situ hybridization and structural analysis of 5S rRNA genes and intergenic spacer sequences in sugar beet (Beta vulgaris). in: Theoretical and Applied Genetics Ausgabe. 88, S. 629–636 (1994), da die rDNA besonders dicht verpackt vorliegt.
Die Gene der 5S-rRNA bilden eine eigene Genfamilie, die strenggenommen nicht zur rDNA gehört. Sie werden von der RNA-Polymerase III transkribiert. Bei einigen Hefen, wie Hansenula polymorpha oder Saccharomyces cerevisiae, liegen sie direkt hinter den 18S-, 5,8S-, 28S-Repeats, jedoch auf dem Gegenstrang, also in entgegengesetzter Leserichtung. Bei den meisten anderen Hefen und den restlichen Eukaryoten liegen die 5S-rRNA-Gene abseits der 18S-, 5,8S-, 28S-Repeats vor. Sie bilden ebenfalls häufig Tandem-Repeats.
Für die Synthese der Ribosomen wird von allen rRNAs die genau gleiche Anzahl benötigt. Durch die räumliche Abtrennung der 5S-rRNA-Gene wird bei den Eukaryoten (im Gegensatz zu den Prokaryoten) aber nicht automatisch gleich viel hergestellt, sodass eine besondere Regulation erforderlich ist (siehe unten).
Die rDNA ist üblicherweise Bestandteil der Chromosomen. Nur bei einigen Protisten, wie der Schleimpilzgattung Physarum, liegt sie extrachromosomal vor.S. Johansen, T. Johansen, F. Haugli: Extrachromosomal ribosomal DNA of „Didymium iridis“: sequence analysis of the large subunit ribosomal RNA gene and sub-telomeric region. In: Curr Genet. 22/1992, S. 305–312
18S-, 5,8S-, 28S-rDNA-Cluster mini|335px|Elektronenmikroskopische Präparation einer rDNA aus einer Zuckmücke während der Transkription. Zu sehen ist die sogenannte Tannenbaumstruktur, deren Spitze das 5'-Ende darstellt. Das 3'-Ende ist nicht pyramidenartig breit, da die rRNA sehr schnell nach der Transkription kondensiert und verpackt wird. Ein „Tannenbaum“ entspricht einer Transkriptionseinheit, der Faden zwischen den Tannenbäumen einem non-transcribed spacer. Die 18S-, 5,8S und 28S-rRNA Gene einer Transkriptionseinheit werden auf DNA-Ebene durch zwei sogenannte internal transcribed spacer (ITS) getrennt und gemeinsam von einem external transcribed spacer (ETS) angeführt (siehe Schemazeichnung). Mitunter gibt es auch am Repeat-Ende noch einen ETS. Aufeinander folgende Transkriptionseinheiten werden durch non-transcribed spacer (NTS) getrennt.