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DNA-Strukturen

Circuläre Formen

Die meisten Formen frei vorkommender DNA in Bakterienzellen sind ringförmig geschlossen. In diesem Abschnitt werden verschiedene wichtige circuläre Formen beispielhaft vorgestellt. Achtung, die allgemein übliche graphische Darstellung ringförmiger DNA ist irreführend. Sie kommt nur in vitro vor. In der Zelle liegt sie in einer energetisch aktivierten Form vor.

Tab.1
FormenErklärung
Abb.1
Einzelsträngige circuläre DNA kommt bei einigen Bacteriophagen vor, z.B. im M13 oder fD. Man kann sie als ein fehlerhaftes Zwischenprodukt der Replikation verstehen, weil sie genauso wie die DNA des "lagging strand" stets mit Einzelstrang-bindenden Proteinen assoziert ist (vgl. Abschnitt Replikation). Deshalb liegt sie auch nicht als partieller Doppelstrang vor, wie man es von der RNA mit vergleichbarer Struktur kennt. Einzelsträngige Phagen-DNA wird als Phagen-Partikel ausgeschleust, ohne dass die Bakterienzelle dabei zugrunde geht. Lange Zeit hat man diese Eigenschaft zur DNA-Sequenzierung nach Sanger genutzt (Näheres siehe dort).
Abb.2
Diese Form nennt man "nicked circle". Einer der Stränge ist kovalent geschlossen, während der andere Strang unspezifisch geöffnet ist. In der Zelle wird diese Form sofort durch die Ligase wieder verschlossen. "Nicked circle DNA" ist eine vergleichsweise häufige Form der isolierten Plasmid-DNA. Sie kann in großen Mengen gewonnen werden, wenn man z.B. Plasmid-DNA durch CsCl-Gradienten-Zentrifugation präpariert. Offenbar wirken bei diesem Verfahren so große Scherkräfte, dass die in der Zelle regelmäßig vorkommende Form des Plasmids, nämlich der kovalent geschlossene Ring mit "Supercoil"-Struktur (siehe andere Formen), mechanisch aufbricht. Es gibt aber auch Enzyme, die das "Supercoil" angreifen. Das sind zum einen die Topoisomerasen 1 und 2 (bei ATP-Mangel) und zum anderen alle Restriktionsenzyme, die die DNA unspezifisch an einem Strang schneiden, wenn sie nicht doppelsträngig schneiden können.
Abb.3
Doppelsträngige, ringförmige DNA kommt in der Zelle - so wie hier gezeigt - nicht vor, weil sie sofort in die überspiralisierte "Supercoil"- Form überführt wird (siehe dort). Diese Form wird nur als Zwischenprodukt der Klonierung erhalten, wenn man im Reagenzglas die beiden Ende derselben DNA oder mehrerer DNAs zu einem Ring zusammenfügt. Dennoch ist dieses die übliche Darstellung aller ringförmigen DNAs in der Biotechnologie.
Abb.4
Catenane sind DNA-Ringe, die wie Kettenglieder ineinander greifen. Das Wort Catenane kommt aus dem Lateinischen (lat. catena, ae, "die Kette"). Catenane sind zwei mechanisch verknüpfte makromolekulare Komponenten. Sie sind nicht über kovalente Bindungen miteinander verbunden. Sie treten am Ende der bidirektionalen Replikation von circulärer DNA auf. Topoisomerase II kann diese Catenane auflösen. Catenane kommen in den Mitochondrien, in Phagen und in Plasmid-DNA vor. Sie zeigen ein sehr ungewöhnliches Laufverhalten bei der Gelektrophorese. Nach nucleolytischer Verdauung mit Restriktionsenzymen führen sie zu denselben Produkten wie die parentalen Ringe.
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