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DNA-Strukturen

Bending

Abb.1
Schematische Darstellung der DNA [rot = A; grün = T; blau = G; gelb = C]

Die auffällige Sequenz AAAAT ist durch Unterstreichung mit Knick hervorgehoben.

Mindestens vier Adenosine gefolgt von einem Thymidin, also 5´-AAAAT-3´, verursachen innerhalb der DNA eine erhebliche Änderung der lokalen Struktur: a) eine Helix-Windung besteht nur noch aus 10, statt 10,5 Basenpaaren, b) die kleine Fuge ist enger, c) die spezifischen Wechselwirkungen mit Proteinen erfolgen mit einer Drehung von 20° relativ zu den normalen Wasserstoff-Brückendonatoren, bzw. -akzeptoren, d) am 3´-Ende des Tetra-Adenosin-Blocks kommt es zur Biegung der DNA. Treten solche Blöcke mehrmals hintereinander auf und werden dabei von wenigen anderen Basenpaaren unterbrochen, so zeigen die einzelnen Biegungen in die gleiche Richtung, so dass sie sich summieren und dem gesamten DNA-Abschnitt eine erhebliche Biegung verleihen.

Biegungen dieser Art werden als Sequenz-induzierte Biegung bezeichnet, weil sie sich ausschließlich auf Grund der chemischen Eigenschaften der Nucleotide ausbilden. DNA-Fragmente, die einen solchen Bereich mehrfach enthalten, zeigen bei der Gelektrophorese einen Unterschied im Laufverhalten. Sie laufen als gebogene Moleküle schneller. Diese strukturelle Besonderheit kann nur aus den starken π-π-Wechselwirkungen des Adenosins erklärt werden, denen das Thymidin keine Wechselwirkungen entgegensetzen kann. Das abschließende Thymidin kann den Stapel von vier Adenosinen nicht in die ursprüngliche Drehung zurückbringen. Das zugehörige Adenosin bildet dagegen mit dem folgenden Nucleotid π-π-Wechselwirkungen aus, so dass es zu einem abrupten Wechsel der Stapelkräfte kommt. Proteine, die diese Strukturen erkennen, spielen bei der Ausbildung des Protein-Komplexes am Replikationsursprung (engl.origin of replication) von Prokaryonten eine wesentliche Rolle. Man weiß aus der Gesamtsequenzierung bakterieller Genome, dass die Zelle eine Häufung von AAAAT-Sequenzen streng dem Replikationsursprung vorbehält.

Protein-induziertes DNA-Bending

Abb.2
Das Protein zwingt die DNA in eine gebogene Form

Neben der Sequenz-induzierten Biegung kennt man auch eine Biegung, die durch Proteine induziert wird. Das CAP (engl.catabolite activator protein) als genregulatorisches Protein ist ein gutes Beispiel dafür. Ein aktives CAP-Protein besteht aus zwei Untereinheiten. Jede Untereinheit bindet innerhalb einer symmetrischen Sequenz an einen der zwei DNA-Stränge. Der durch die Bindung entstehende Biegungswinkel liegt zwischen 80 und 180°. In kristalliner Form wurde ein Wert von 90° festgestellt. Vermutlich ist die Biegung notwendig, um über das gebundene CAP die RNA-Polymerase zum Promotor zu führen. Belegt ist, dass dieselbe Promotor-Sequenz ohne benachbartes CAP nicht oder nur sehr viel schwächer erkannt wird.

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