Beginn der Replikation – Bitte nur einmal

Das Erbgut sollte pro Zellteilung nur ein Mal verdoppelt werden. Wie stellt die Bakterienzelle das sicher? Die Mikrobiologen um Prof. Dr. Peter Graumann vom Institut für Biologie II in Freiburg haben jetzt zusammen mit internationalen Kooperationspartnern aus Paris einen Mechanismus in dem Bakterium Bacillus subtilis entschlüsselt. Das Prinzip dahinter ist die „Gefangennahme“ eines Proteins.

Bacillus subtilis im Lichtmikroskop. © Wikipedia

Ein Bakterium wie Bacillus subtilis verdoppelt sein Erbgut (Genom) unter normalen Bedingungen in einer Stunde. Während der Zellteilung muss die Tochterzelle ein vollständiges Chromosom erhalten, nicht mehr und nicht weniger. Bakterien, die den Replikationsvorgang mehrfach einleiten, kommen durcheinander. Sie wachsen viel langsamer, manche sterben sogar. Dreh- und Angelpunkt einer Regulation könnte das Protein DnaA sein, das als Initiator der Replikation gilt. Erst, wenn es sich an einem bestimmten Bereich der DNA anlagert, der als Origin of Replication bezeichnet wird, schließt sich die Doppelhelix an dieser Stelle auf und entwindet sich. Es entsteht die sogenannte Replikationsgabel, in der die molekulare Replikationsmaschinerie mit dem Kopiervorgang beginnt. „Wie verhindert eine Bakterienzelle, dass sich DnaA mehrmals pro Zellzyklus an den Origin anlagert und die Replikation auslöst?", fragt Prof. Dr. Peter Graumann, Leiter einer Gruppe in der Abteilung für Mikrobiologie an der Fakultät für Biologie der Universität Freiburg.

Ein Wegziehen

Mit sogenannten Kolokalisationsexperimenten in Bacillus subtilis haben Graumanns Team und Kooperationspartner aus Frankreich das Problem letztes Jahr untersucht. Ausgangspunkt war die Beobachtung, dass die Initiation des Kopiervorgangs durcheinander kommt, wenn das Protein YabA fehlt. Ohne YabA beginnt das Bakterium mehrmals mit der Replikation. Beeinflusst das Protein die Bindung von DnaA an den Origin of Replication und damit den Start des Kopiervorgangs? Und wenn ja: Wie? In ihren Experimenten koppelten die Forscher die Gene für YabA, für DnaA und für ein Protein der Replikationsmaschinerie (DnaX) mit verschiedenen Genen für Eiweiße aus der Familie des Grün Fluoreszierenden Proteins GFP. Dadurch leuchteten die Proteine in der Zelle in unterschiedlichen Farben. In einem Fluoreszenzmikroskop konnten die Biologen damit genau verfolgen, wo sich die Moleküle während der Replikation und während der Teilung befinden.

Dreimal die selben Zellen von Bacillus subtilis im Fluoreszenzmikroskop: Die Striche deuten die Trennwände zwischen den Zellen an. Im linken Bild sind die Origin-Bereiche der DNA mit CFP gekoppelt, das grüne Leuchten verrät den Aufenthaltsort an den Zellpolen. Das zweite Bild zeigt den Aufenthaltsort von DnaA, das mit dem rot leuchtenden YFP gekoppelt ist und sich in den Zellmitten befindet. Im dritten Bild sind Komponenten der Replikationsmaschinerie gelb gefärbt. Im rechten Bild sind die drei Bilder übereinander gelegt. © Prof. Dr. Peter Graumann

Das Leuchten verriet: Sowohl DnaA als auch YabA bleiben während der Replikation in der Mitte einer Bakterienzelle lokalisiert. Dort sitzt auch die Replikationsmaschinerie. An diesem Komplex wird die frisch replizierte DNA vorbeigezogen, gerade verdoppelte Bereiche bewegen sich zu den Zellpolen. „Der Mechanismus, durch den die Initiation der Replikation reguliert wird, ist also ein Wegziehen", sagt Graumann. Origin-Bereiche befinden sich nur zu Beginn der Replikation in der gleichen Zellregion wie die Replikationsmaschinerie und das Initiatorprotein DnaA. Danach trennen sie sich räumlich von ihnen. Warum ist das so? YabA besitzt sowohl eine Bindestelle für DnaA als auch für die Replikationsmaschinerie. Hält es das Initiatorprotein zurück, damit es sich nach einmaliger Initiation von der Origin-Region der DNA fernhält? Ja, das zeigen Experimente mit Bacillus-Stämmen, die kein YabA haben. Dort bleibt DnaA nicht in der Mitte der Zelle gefangen sondern verteilt sich über das Zellinnere.

Weitere offene Fragen

„YabA wirkt wie ein Adapter", erklärt Graumann. „Es koppelt DnaA an eine Komponente der Replikationsmaschinerie und arretiert es damit." Unklar ist noch, wie DnaA sich vom Origin loslöst, das untersuchen Graumann und seine Mitarbeiter zur Zeit eingehender. Beteiligt sein könnte ein weiteres Protein mit dem Namen Soj. Dieses scheint ebenfalls eine Rolle bei der Regulierung der Initiation zu spielen. Fehlt es, kommt die Zelle mit der Anzahl der begonnen Replikationsrunden durcheinander. „Seine Funktion könnte es sein, DnaA nach der Initiation von der DNA zu entfernen", spekuliert Graumann. „Aber das müssen weitere Experimente zeigen."

Eine weitere Frage ist: wie initiiert DnaA überhaupt die Replikation? Das ist in der Wissenschaft bisher ein großes Rätsel, bewiesen ist nur die Tatsache, dass es das tut. Auch hier bleiben Graumann und sein Team am Ball. Die Experimente an den molekularen Replikationsmechanismen und ihrer Regulierung in Bakterien wie Bacillus subtilis haben aus zwei Gründen eine allgemeine Bedeutung. „Zum einen geht es hier um einen grundlegenden biologischen Prozess", sagt Graumann. „Das ist schon an sich von großem Interesse." Zum anderen ähnelt DnaA in Struktur und Funktion den bekannten Initiatorproteinen in Eukaryonten. Damit könnte das Verständnis der Vorgänge an der Replikationsgabel von Bacillus subtilis irgendwann einmal für höhere Organismen mehr Licht ins Dunkel bringen. Und das könnte sich zum Beispiel bei der Krebsforschung auszahlen, denn auch manche Krebszellen regulieren die Anzahl ihrer Replikationen pro Teilung nicht mehr korrekt.

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Chromosomen sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Träger der Erbanlagen. Die Anzahl der im Zellkern vorhandenen Chromosomen ist artspezifisch. Beim Menschen sind es zweimal 23. Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen liegen Chromosomen in Körperzellen sowie in befruchteten Eizellen paarweise als sog. homologe Chromosomen vor. In den Keimzellen ist nach Abschluss der Reifungsteilungen nur ein einfacher Chromosomensatz vorhanden.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Zwei schraubenförmig umeinander gewundene DNA-Stränge bilden eine Doppelhelix.
  • Eukaryonten sind Organismen, deren Zellen einen Zellkern und Organellen besitzen. Zu den Eukaryonten gehören Protozoen (Einzeller), Algen, Pilze, Pflanzen und Tiere (einschließlich Mensch).
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Replikation ist der biologische Fachbegriff für die Verdoppelung der DNA-Doppelhelix.
  • Als Fluoreszenz wird die spontane Emission von Licht bestimmter Wellenlänge nach Anregung eines Moleküls mit Licht einer anderen Wellenlänge bezeichnet.
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