DNA Polymerase

00:00 Lass uns nun ein wenig darüber nachdenken. Sprechen wir zuerst über die DNA-Polymerase.

00:06 Die DNA-Polymerase ist ein Enzym, das die Synthese des Stranges katalysiert und das ist am unteren Rand in dieser Abbildung schematisch dargestellt.

00:16 Du kannst sehen, dass die DNA-Polymerase an der anderen Spitze des Strangs sitzt, der mit 5' gekennzeichnet ist. Sie sitzt also am 3'-Ende und du siehst, dass die Richtung der Replikation nach rechts läuft.

00:27 Die gesamte DNA-Replikation erfolgt ohne Ausnahme in 3'-zu-5'-Richtung.

00:35 Wie ich schon sagte, liest sie die Base eines Stranges und weiß dann, welche sie in den Strang einbauen muss, den sie gerade synthetisiert.

00:39 Wenn die DNA-Polymerase also zum Beispiel ein G auf der DNA-Matrize liest, wird sie ein C in den Strang, den sie synthetisiert, einbauen; Denn das C ist komplementär zum G.

00:51 Die DNA-Polymerase wählt die richtigen Basen aus, indem sie die komplementären Basen verwendet, also G ist komplementär zu C und A zu T.

01:00 Die Aufgabe der DNA-Polymerase besteht also darin, sich die neue Base zu schnappen, wie ich sagte, und sie mit einer Phosphodiesterbindung in die wachsende Kette einzufügen.

01:10 Nun ist die DNA-Polymerase ein interessantes Enzym, denn viele DNA-Polymerasen, insbesondere die in Zellen vorkommenden, weisen eine weitere katalytische Aktivität auf, die als Korrektur oder proofreading bezeichnet wird.

01:23 Das Proofreading kann man sich, wie einen Lektor vorstellen.

01:27 Die DNA-Polymerase ist wirklich gut darin, die richtige Base für den komplementären Strang zu finden.

01:32 Aber man muss bedenken, dass die DNA-Polymerase mit einer unglaublichen Geschwindigkeit arbeitet.

01:36 Einige DNA-Polymerasen verknüpfen bei der Synthese des Stranges bis zu 1000 Nukleotide pro Sekunde.

01:44 Daher ist das Proofreading und die Prüfung auf Fehler sehr wichtig, denn das entstandene DNA-Molekül wird die genetische Information für in der Tochterzelle und man möchte so wenige Fehler wie möglich.

01:53 Die 3',5'-Exonukleaseaktivität ist die Aktivität der DNA-Polymerase, die auf Fehler prüft.

01:59 Es wird also jedes Basenpaar nicht nur, vor Verknüpfung der Base, sondern auch nach der Verknüpfung bei der Korrektur gelesen.

02:07 Das ist jetzt ein bisschen kompliziert, aber in einfachen Worten gesagt: Was passiert, wenn eine falsche Base verbaut wird, ist, dass die DNA sich wölbt und eine Ausbuchtung bildet.

02:17 Es passt also nicht genauso gut, wie wenn die richtige Basis eingesetzt wird.

02:19 Wenn die Polymerase also eine Ausbuchtung bemerkt, weiß sie, dass sie einen Fehler gemacht hat und bewegt sich zurück.

02:25 Dies macht sie mit der 3',5'-Exonuklease, wie in diesem Schema hier zu sehen ist, und macht wortwörtlich eine Rückwärtsbewegung.

02:32 Sie trennt also wieder auf, was sie verknüpft hat.

02:37 Und wenn das erfolgt ist, kann die richtige Basis beim Vorrücken in der richtige Richtung eingefügt werden.

02:45 Wir wissen, dass das Proofreading die Genauigkeit, mit der die DNA kopiert wird, um das 100-fache verbessert.

02:53 Das ist ein ziemlich bemerkenswertes Ergebnis bei der Korrektur, insbesondere für einen Prozess, der so schnell abläuft wie die DNA-Replikation.

02:59 Nun haben DNA-Polymerasen eine interessante Struktur, die hier zu sehen ist.

03:03 Das aus bandförmigen Strukturen gebildete Gerüst ist die DNA-Polymerase.

03:08 Das Strichmännchen in der Mitte, das etwas schwieriger zu erkennen ist, ist die DNA, die repliziert wird.

03:14 Ich habe in der Abbildung einen Abschnitt grün markiert, um zu zeigen, dass die DNA-Polymerase einen Teil hat, der etwas wie eine Hand aussieht.

03:24 Und in der Mitte der Hand haben wir den DNA-Strang, der tatsächlich gehalten wird.

03:29 Diese Hand ist bei vielen Typen von DNA-Polymerasen gleich und du kannst sehen, dass die DNA, wie ich schon sagte, dort gehalten wird.

03:37 Hier ist eine DNA-Polymerase abgebildet, die als DNA-Polymerase I bekannt ist.

03:39 Und du kannst die verschiedenen Untereinheiten sehen, die hier markiert sind.

03:42 Der linke Teil ist eine modifizierte DNA-Polymerase I, bei der in die Untereinheit zum Proofreading erhalten geblieben ist, aber die Untereinheit zur Primerentfernung, über die ich später sprechen werde, nicht beibehalten wurde.

03:53 Ich zeige diese Abbildung, um dir noch einmal die Hand zu zeigen, die du in der Abbildung rechts sehen kannst.

03:59 Also den Ort, an dem das DNA-Molekül gehalten wird und wo die Synthese tatsächlich stattfindet.

04:06 E-coli-Zellen haben 3 DNA-Polymerasen die mit I, II und III gekennzeichnet sind.

04:15 Viele Zellen besitzen mehrere DNA-Polymerasen und jede Polymerase hat in der Regel ihre eigene Funktion.

04:20 Es gibt zum Beispiel eine ganze Reihe von DNA-Polymerasen in menschlichen Zellen.

04:25 In E-coli repliziert die Polymerase III den größten Teil des Genoms.

04:31 Die Polymerase 1, die ich dir gerade gezeigt habe, vervielfältigt ziemlich kurze Fragmente und die Polymerase II spielt keine wichtige Rolle in E-coli, aber es wird vermutet, dass sie eine Rolle bei der Reparatur von DNA-Schäden spielt.

04:45 Die Polymerasen unterscheiden sich nun in ihrer Genauigkeit und Prozessivität. Lassen Sie mich also diese Begriffe erklären.

04:52 Genauigkeit beschreibt wie zuverlässig die Polymerase die DNA fehlerfrei kopiert.

04:57 Dies wird durch die 3',5'-Exonuklease bzw. die Proofreading-Aktivität beeinflusst.

05:04 Nicht alle DNA-Polymerasen haben eine Korrekturaktivität, aber die meisten zellulären Polymerasen haben eine.

05:09 Viralen DNA-Polymerasen fehlt häufig eine 3',5'-Exonuklease, was bedeutet, dass sie viel anfälliger für Fehler sind.

05:20 Fehler zu machen ist für einen Virus eigentlich eine ziemlich gute Sache, denn es hilft ihm sich schneller weiter zu entwickeln, und deshalb haben wir Schwierigkeiten mit Viren, die resistent gegen gegen Medikamente werden.

05:31 Prozessivität ist ein weiteres wichtiges Konzept, das man verstehen sollte.

05:34 Die Prozessivität beschreibt, wie lange eine DNA-Polymerase während der Replikation an der DNA angeheftet bleibt.

05:45 Das mag vielleicht ein wenig seltsam erscheinen, aber tatsächlich gibt es in diesem Bereich einige große Unterschiede zwischen verschiedenen DNA-Polymerasen.

05:52 Die DNA-Polymerase III, die in E-coli repliziert, ist sehr prozessiv.

05:58 Sie setzt sich auf ein DNA-Molekül und bleibt dort und verknüpft über Tausende oder Millionen von Nukleotiden, während die DNA-Polymerase I nicht sehr prozessiv ist.

06:09 Sie bindet und löst sich wieder ab und sie bindet und löst sich wieder ab.

06:12 Wie schafft sie das? Die DNA-Polymerase III bleibt auf der DNA gebunden, denn sie benutzt eine Untereinheit, die in der Abbildung rechts zu sehen ist, den sogenannten Gleitring oder auch Clamp.

06:24 Der Gleitring hilft ihr, kaum überraschend, die DNA noch besser zu greifen als nur mittels der Hand, die ich dir gezeigt habe, und er bildet einen kleinen Ring um sie herum, wie hier zu sehen ist.

06:32 Da sich die DNA in der Mitte befindet, kann die DNA-Polymerase nicht einfach abfallen.

06:37 Die Polymerase III verwendet eine sogenannte Beta-Clamp.

06:43 Die Polymerase I verwendet keinen Gleitring. Daher setzt sich die Polymerase I an ein DNA-Molekül, repliziert es und fällt dann ab.

06:50 Dann setzt sie sich auf ein anderes DNA-Molekül, repliziert es und fällt dann ab.

06:52 Wie wir nun sehen werden, wird das Abfallen der Polymerase I und das Anheften der Polymerase III in den unterschiedlichen Einsatzgebieten der DNA-Polymerasen bei der Replikation ausgenutzt.

07:08 Wie ich bereits sagte, gibt es einige Viren, die DNA-Polymerasen besitzen, die nicht sehr genau kopieren.

07:14 Retroviren sind ein sehr gutes Beispiel.

07:18 HIV ist ein Virus, das sehr schnell sehr viele mutiert.

07:24 Das geschieht, weil es die Nukleinsäuren nicht sehr genau kopiert.

07:30 Sie haben eine DNA-Polymerase, die sogenannte Reverse Transkriptase.

07:34 Die reverse Transkriptase kopiert RNA und synthetisiert DNA. Damit haben wir eine der Ausnahmen vom zentralen Dogma.

07:40 Eine andere seltsame Eigenschaft dieser DNA-Polymerase ist, dass sie eine niedrige Genauigkeit hat, weil sie keine Korrekturaktivität hat.

07:49 Das Fehlen der Korrekturaktivität erlaubt dem Retrovirus sich wild zu verändern und kann die Kontrolle von HIV mit Medikamenten erschweren, denn das Virus hat Möglichkeiten eingebaut, sich durch Mutation sehr schnell weiterzuentwickeln.