Unterabschnitte
Die Rekombination
Man kann bei der Rekombination die allgemeine oder homologe
Rekombination zwischen gleichen Sequenzen von der Sequenzspezifischen
rEkombination, bei der sich z.B. die Phagen-DNA spezifisch an einer
Sequenz in das Genom integriert, von winer Transposition, bei der
Elemente von einem chromosomalen Ort an den anderen Wandern und der
Rekombination der RNA-Viren, bei denen durch Kopienwahl die Polymerase
zwischen zwei Matrizen Wechselt und so zwei Stränge kombiniert,
unterschieden werden.
Die Rekombination beginnt damit, dass sich ein Komplex, der
Heteroduplex-DNA genannt wird bildet, in dem jeder DNA-Strang mit
einem Einzelstráng mit einem Einzelstangbereich des anderen Strangs in
Wechselwirkung tritt. Diese Rekombinationsverbindung kann sich entlang
des Strangs bewegen. Dieser Vorgang wird als branch migration
bezeichnet. Die von der DNA bei diesem Prozess gebildete 3d-Struktur
wird als Holliday-Struktur bezeichnet.
nach der Rekombination erfolgt ein erneutes Aufbrechen der
Einzelstrangbrüche und entweder eine Rückkehr zur alten Sequenz oder
man erhält eine Spleissrekombinante, bei der ein Austausch der Stränge
stattgefunden hat.
Man geht davon aus, das die Rekombination durch einen
Doppelstrangbruch eingeleitet wird. Zunächst wird die Endonuklease den
Empfängerstrang schneiden. Dieser Schnitt wird durch Exonukleasen zu
einer Lücke ausgeweitet, die dann an der homologen Region die
Basenpaarung aufbricht. Die dadurch D-Schleife wird von dem
Reparatursystem aufgefüllt und durch das Reparatursystem
verlängert. Wenn er das Ende der Lücke erreicht, verbindet er sich mit
dem gegenüberliegenden Ende seiner eigenen Sequenz. Das andere
überhängende Ende des Empfängerstrangs bindet an die homologe Region
des Donorstrangs und wird dort ebenfalls komplementiert.
Man nimmt an, dass der synaptonemale Komplex, der sich bei der Meiose
ausbildet nicht die Ursache, sondern eine Folge der Rekombination ist.
Die einzige Verbindung zwischen den Chromosomen in diesem Komplex sind
die Rekombinationsknoten. Dort vermutet man die Rekombination. Man
nimmt an, dass auch deren Mechanismus auf Doppelstrangbrüchen
beruht. Die Rekombination muss vollendet sein bevor die Meiose
fortgesetzt werden kann. Man nimmt an, dass die Crossing-Overs von
einer übergeordneten Struktur kontrolliert werden.
In E. coli fand man eine spezifische Sequenz, die chi-Sequenz, die in
ihrer Umgebung die Rekombination anregt. An diesen Stellen greift ein
Enzym an, das durch eine kombinierte Endo-, Exo- und
Helikase-Aktivität einen Strangbruch erzeugt. Dieses Enzym RecBCD
wirkt nach Verlust der RecD-UE an der chi-Sequenz als Helikase, vorher
als Nuklease. Durch die Aktivität von RecA entsteht dann ein
Heteroduplex-Komplex, der die Rekombination einleitet.
Der von RecA vermittelte Prozess wird als Einzelstrangassimilation
bezeichnet. Dabei verdrängt der Einzelstrang einen der Doppelstränge
durch seine Bindung. Dies wird möglich, da RecA mit DNA lange
Filamente bilden kann. Durch eine ATPabhängige Reaktion kann so ein
ganzer Strang ersetzt werden. Durch einen ähnlichen Mechanismus ist es
möglich, das ein teilweise und ein komplett doppelsträngiges Molekül
einen Strang austauschen.
Nach einer Meiose sollten die Gene von Vater und Mutter normalerweise
in einerm Verhältnis von 4:4 vorliegen. Ist dies nicht der Fall, hat
eine Genkonversion stattgefunden. Dabei rekombinieren zwei Chromatide
miteinander. Dies ist in einer Rekombination begrüundet, bei der in
machen Fällen eines der beiden Allele nach der Rekombination
vollständig ersetzt wird (Verhältnis 2:6).
Die Trennung der Stränge erfordert immer eine Rotation im Raum. Wenn
sich zwei Moleküle DNA nur in ihrer Windungszahl unterscheiden, werden
sie als topologische Isomere bezeichnet.
Eine Veränderung der Windungszahl wird durch die DNA-Topoisomerasen
katalysiert. Sie werden in TypI, der vorübergehend einen Einzelstrang-
und TypII, der einen Doppelstrangbruch einführt unterteilt.
Das topA-Gen von E. coli codiert für eine TypI-Topoisomerase, die
einen DNA-Strang bricht, indem es die Phosphodiesterbindung auf das
Protein überträgt, die Struktur verändert und dann die ursprüngliche
Bindung wieder herstellt. Man kann auch zeigen, dass diese
Topoisomerase eine einzelsträngige DNA durch eine andere
hindurchziehen kann.
Der TypII entspannt normalerweise negative wie positive
Überspiralisierung.
Die Gyrase führt eine negative Überspiralisierung in die DNA ein. Sie
kann etwa 100 Überspiralisierungen pro Minute einführen. In
Abwesenheit von ATP kann die Gyrase auch negative Überspiralisierung
entspannen. Die Gyrase ist für die Replikation wichtig.
Der Mechanismus könnte darauf beruhen, dass die Gyrase die DNA über
Kreuz bindet, was innerhalb der DNA zu einer negativen
Kompensations-Spiralisierung führt. Dann schneidet die Gyrase die
beiden Stränge und führt sie aneinander vorbei. Durch diesen
Mechanismus der ,,Vorzeichenänderung`` wird die
Überspiralisierung eingeführt. Nachdem es seine Wirkung entfaltet hat,
wird es (wahrscheinlich mittels ATP) wieder in seine aktive Form
überführt.
Die spezialisierte Rekombination beschreibt den Mechanismus, durch den
sich ein Phage in das Genom des Wirtes integriert. An einer bestimmten
Stelle, der Anheftungesstelle, die in ihnerer Mitte eine Homologie zu
der Phagen-DNA aufweist, integriert sich der Phage in das
Bakteriengenom. Die Anheftungsstelle des Phagen muss für eine
erfolgreiche Rekombination überspiralisiert sein.
Für seine Integration wie auch eine spätere Excision wird jeweils der
IHF (integration host factor) vom Bakterium und ein spezigisches
Protein des Phagen benötigt. IHF ist ein Protein, das DNA an seiner
Oberfläche aufwickeln kann und ist für E. coli nicht essentiell.
Bei der Integration werden die Stränge einzeln aufgebrochen und der
Phage integriert sich über eine Holliday-Struktur. Die Aktivität des
vermittelnden Enzyms gleicht der Topoisomerase I.
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