Beginn der Replikation – Bitte nur einmal

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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.
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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
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„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.
Fachbeitrag
24.06.2009
mn
BioRegion Freiburg
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH
Weitere Informationen
Prof. Dr. Peter Graumann
Institut für Mikrobiologie
Schänzlestr. 1
Tel.: ++49-(0)761/203-2630
Fax: ++49-(0)761/203-2773
E-Mail: peter.graumann(at)biologie.uni-freiburg.de
Der Fachbeitrag ist Teil folgender Dossiers
DNA- und RNA-Replikation
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