In eukaryotischen Zellen ist die DNA-Replikation hochkonserviert und streng reguliert. Mehrere lineare Chromosomen müssen vor der Zellteilung mit hoher Genauigkeit dupliziert werden, daher gibt es viele Proteine, die spezialisierte Rollen im Replikationsprozess erfüllen. Die Replikation erfolgt in drei Phasen: Initiation, Verlängerung und Beendigung und endet mit zwei vollständigen Chromosomensätzen im Zellkern.

Viele Proteine orchestrieren die Replikation am Ursprung

Die eukaryotische Replikation folgt vielen der gleichen Prinzipien wie die prokaryotische DNA-Replikation, aber da das Genom viel größer ist und die Chromosomen eher linear als zirkulär sind, benötigt der Prozess mehr Proteine und weist einige wichtige Unterschiede auf. Erstens findet die Replikation in Eukaryoten im Gegensatz zu Prokaryoten gleichzeitig an mehreren Replikatursprüngen entlang jedes Chromosoms statt. Initiatorproteine erkennen und binden an diese Ursprünge und rekrutieren Helikaseproteine, um die DNA-Doppelhelix abzuwickeln. An jedem Ursprungspunkt bilden sich zwei Replikationsgabeln. Primase fügt dann kurze RNA-Primer zu den einzelnen DNA-Strängen hinzu, die als Ausgangspunkt für die DNA-Polymerase dienen, um zu binden und mit dem Kopieren der Sequenz zu beginnen. DNA kann nur in 5'- bis 3'-Richtung synthetisiert werden, so dass die Replikation beider Stränge von einer einzigen Replikationsgabel in zwei verschiedene Richtungen verläuft. Der führende Strang wird kontinuierlich synthetisiert, während der nacheilende Strang in kurzen Abschnitten von 100 bis 200 Basenpaaren Länge, den sogenannten Okazaki-Fragmenten, synthetisiert wird. Sobald der Großteil der Replikation abgeschlossen ist, entfernen RNase-Enzyme die RNA-Primer, die DNA-Polymerase füllt die Lücken und die DNA-Ligase versiegelt die Lücken im neuen Strang.

Aufteilung der Replikationsarbeit auf Polymerasen

Die Arbeitsbelastung des Kopierens von DNA in Eukaryoten wird auf mehrere verschiedene Arten von DNA-Polymerase-Enzymen aufgeteilt. Die Hauptfamilien von DNA-Polymerasen in allen Organismen werden nach der Ähnlichkeit ihrer Proteinstrukturen und Aminosäuresequenzen kategorisiert. Die ersten Familien, die entdeckt wurden, hießen A, B, C und X, die Familien Y und D wurden später identifiziert. Zu den Polymerasen der Familie B in Eukaryoten gehören Pol α, das auch als Primase an der Replikationsgabel fungiert, sowie Pol δ und ε, die Enzyme, die den größten Teil der Arbeit der DNA-Replikation an den führenden bzw. nacheilenden Strängen der Matrize leisten. Andere DNA-Polymerasen sind für Aufgaben wie die Reparatur von DNA-Schäden, das Kopieren von mitochondrialer und plastidischer DNA und das Füllen von Lücken in der DNA-Sequenz auf dem nacheilenden Strang verantwortlich, nachdem die RNA-Primer entfernt wurden.

Telomere schützen die Enden der Chromosomen vor dem Abbau

Da eukaryotische Chromosomen linear sind, sind sie anfällig für Abbau an den Enden. Um wichtige genetische Informationen vor Schäden zu schützen, enthalten die Enden der Chromosomen viele nicht-kodierende Wiederholungen der hochkonservierten G-reichen DNA, den Telomeren. Ein kurzer einzelsträngiger 3'-Überhang an jedem Ende des Chromosoms interagiert mit spezialisierten Proteinen, die das Chromosom im Zellkern stabilisieren. Aufgrund der Art und Weise, wie der nacheilende Strang synthetisiert wird, kann eine kleine Menge der Telomer-DNA nicht bei jeder Zellteilung repliziert werden. Dadurch werden die Telomere im Laufe vieler Zellzyklen allmählich kürzer und können somit als Marker für die Zellalterung gemessen werden. Bestimmte Zellpopulationen, wie Keimzellen und Stammzellen, exprimieren Telomerase, ein Enzym, das die Telomere verlängert, so dass die Zelle mehr Zellzyklen durchlaufen kann, bevor sich die Telomere verkürzen.