Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology


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Molekulare Struktur der DNA

Molekulare Struktur der DNA

 

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I    Primärstruktur des Moleküls: kovalentes Rückgrad und Basen

I-1   Phosphorsäure

I-2   Zucker

I-3   Stickstoffhaltige Basen

II   Senkundär- und Tertiärstruktur des Moleküls – 3-dimensionale Konformation der DNA

II.1   Dinukleotide

II.2   DNA Molekül

II.2.1   Wasserstoffbrücken: Basenpaarung

II.2.2   Groβe Furche und kleine Furche

II.3   Non-B DNA

II.3.1   Z-DNA

II.3.2   kreuzförmige DNA-struktur und Haarnadel-DNA

II.3.3   H-DNA oder Triplex-DNA

II.3.4   G4-DNA

III   Quartärstruktur des Moleküls - Chromatin

IV   Verschiedenes

IV.1    DNA und Mitochondrien

IV.2    DNA Denaturierung

Französisch
Englisch


pdf Version (in Englisch)

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Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist die genetische Information der meisten lebenden Organismen (im Gegensatz dazu verwenden einige Viren, genannt Retroviren, Ribonukleinsäure als genetische Information).
- DNA kann über Generationen von Zellen kopiert werden: DNA Replikation,
- DNA kann in Proteine translatiert werden: DNA Transkription in RNA, weiter translatiert in Proteine,
- DNA kann, wenn notwendig, repariert werden: DNA-Reparatur-Mechanismen ,
Ribonukleinsäuren (RNAs) werden in einem anderen Kapitel beschrieben (mRNA, r-RNA, t-RNA...)

- DNA ist ein Polymer, das aus Einheiten aufgebaut ist, die Nukleotide (oder Mononukleotide) genannt werden.
- Nukleotide haben auch andere Funktionen: Energieträger (ATP, GTP), zelluläre Atmung (NAD, FAD); Signaltransduktion (zyklisches AMP); Koenzyme (CoA, UDP); Vitamine (Nicotinamid-Mononukleotid, Vit B2).

Der Proteinnomenklatur folgenden können wir von Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur des Moleküls sprechen:

 

I Primärstruktur des Moleküls: kovalentes Rückgrad und Basen

Ein Nukleosid besteht aus einem Zucker plus einer stickstoffhältigen Base.
Ein Nukleotid besteht aus einem Phosphat+ einem Zucker+ einer stickstoffhaltigen Base. In der DNA ist das Nukleotid ein Desoxyribonukleotid (in der RNA ein Ribonukleotid).

I-1 Phosphorsäure

Gibt eine Phosphatgruppe.


I-2 Zucker

Desoxyribose ist eine zyklische Pentose (Zucker mit 5 Kohlenstoffen). Beachte: in der RNA ist der Zucker eine Ribose.

Kohlenstoffe im Zucher werden 1’ bis 5’ benannt. Um ein Nukleotid zu bilden, ist ein Stickstoffatom der stickstoffhaltigen Base an das C1’ gebunden (glykosidische Bindung), das Phosphat an das C5’ (Esterbindung). Das Nukleotid ist daher: Phosphat – C5’ Zucker C1’ – Base.


I-3 Stickstoffhaltige Basen

Stickstoffhaltige Basen sind aromatische Heterozyklen; es gibt Purine und Pyrimidine.
- Purine: Adenin (A) und Guanin (G).
- Pyrimidine: Cytosin (C) und Thymin (T) (Beachte: Thymin wird in der RNA durch Uracyl (U) ersetzt).

Anmerkung: es gibt andere stickstoffhaltige Basen, insbesondere methylierte Basen, die von den oben genannten abstammen; Methylierung einige der Basen haben funktionelle Rolle (siehe dieses Kapitel).


Glossar:
- Nukleosidnamen: Desoxyribonukleoside in der DNA: Desoxyadenosin, Desoxyguanosin, Desoxycytidin, Desoxythymidin (Ribonukleoside in der RNA: Adenosin, Guanosin, Cytidin, Uridin).
- Nukleotidnamen: Desoxyribonukleotide in der DNA: Desoxyadenylsäure, Desoxyguanidylsäure, Desoxycytidylsäure, Desoxythymidylsäure (Ribonukleotide der RNA: Adenosinsäure, Guanylsäure, Cytidinsäure, Uridylsäure).


 

 

II Sekundär- und Tertiärstruktur des Moleküls – 3-dimensionale Konformation der DNA

II.1 Dinukleotide

Dinukleotide entstehen durch eine Phosphodiesterbindung zwischen 2 Mononukleotiden. Das Phosphat eines Mononukleotids (am C5’ seines Zuckers) wird an das C3’ des Zuckers des vorhergehenden Mononukleotids gebunden. Somit ist, wenn wir mit einem Phosphat beginnen, ein 5’ Zucker (+ Base) über das 3’ dieses Zuckers mit dem 2. Phosphat und damit mit dem 5’ des darauffolgenden Zuckers verbunden, dessen 3’ wiederum frei für den nächsten Schritt ist. Die Bindung bzw die Orientierung des Moleküls ist also 5’->3’.

Polynukleotide werden aus der sukzessiven Addition von Monomeren in einer allgemeinen 5’->3’ Konfiguration gebildet. Das Rückgrad des Moleküls wird durch eine Abfolge von Phosphat-Zucker (Nuckleotid N) – Phosphat-Zucker (Nukleotid N+1) usw gebildet, die Bindungen sind kovalent, mit der Base seitlich des Phosphat-Zuckers.


II.2 DNA Molekül

DNA besteht aus 2 ("Duplex DNA") dextrogyre (wie eine Schraube, rechtsgängig) Helixketten oder –stränge ("die Doppelhelix "), die um eine Achse mit einem Durchmesser von 20 gedreht ist.
Die beiden Stränge sind antiparallel (d.h. ihre 5’->3’ Orientieren geht in entgegengesetzte Richtungen). Das Aussehen eines DNA-Polymers zeigt eine Periodizität von 3.4 , was einem Abstand zwischen 2 Basen entspricht, bzw von 34 , was einer Umdrehung der Helix entspricht (also 10 Basenpaaren).


II.2.1 Wasserstoffbrücken: Basenpaarung

Die (hydrophoben) Basen sind innen aufeinander gestapelt, diese Ebenen sind normal (90- Winkel) zur Achse der Doppelhelix. Die Auβenseite (Phosphat-Zucker) ist hydrophil.
Wasserstoffbrücken zwischen den Basen des einen und denen des zweiten Stranges halten die beiden Stränge zusammen (gestrichelte Linie in der Zeichnung).

Ein Purin eines Stranges ist mit einem Pyrimidin auf dem 2. Strang verbunden. Folglich entspricht die Anzahl der Purinmonomere der Anzahl der Pyrimidinmonomere.

A bindet T (mit 2 Wasserstoffbrücken).
G bindet C (mit 3 Wasserstoffbrücken; dies ist eine stabilere Bindung: 5.5 vs 3.5 kcal).

Anmerkung: die Anzahl der As entspricht der der Ts, und die Anzahl der Gs entspricht der der Cs in der DNA.
Die strikte Übereinstimmung (A<->T und G<->C) macht die beiden Stänge komplementär. Ein Strang ist die Matrize für den zweiten und umgekehrt: diese Eigenschaft erlaubt exakte Replikation (semi-konservative Replikation: ein Strang – die Matrize – ist konserviert, der zweite wird neu synthetisiert, dasselbe gibt für den 2. Strang, der erhalten bleibt, was erlaubt, daβ der 1. neu synthetisiert wird. Siehe angrenzendes Kapitel.


Anmerkung:
Wasserstoffbrücken in der Basenpaarung weichen manchmal vom Watson & Crick Modell ab, das oben beschrieben ist, indem das N7 Atom eines Purins verwendet wird anstelle des N1 (Hoogsteen Modell).




II.2.2 Groβe Furche und kleine Furche

Die Doppelhelix ist ein relativ steifes und viskoses Molekül von unglaublicher Länge und mit kleinem Durchmessers. Es enthält eine groβe und eine kleine Furche. Die groβe Furch ist tief und weit, die kleine ist eng und flach.

DNA-Protein-Interaktionen sind essentielle Prozesse im Leben einer Zelle (Transkriptionsaktivation oder -repression, DNA-Replikation und -Reparatur).
Proteine binden am Grund der Furchen, indem sie spezifische Bindungen nutzen: Wasserstoffbrücken, oder auch nicht-spezifische Bindung: van der Waals Interaktionen, allgemeine elektrostatische Interaktionen.
Proteine erkennen Wasserstoffdonoren und -akzeptoren, Methylgruppen (hydrophob), letztere sind ausschlieβlich in der groβen Furche; es gbt 4 mögliche Erkennungsmuster für die groβe, aber nur 2 für die kleine Furche (siehe Figur).

Einige Proteine binden DNA an/in ihrer groβen Furche, andere an/in der kleinen Furche, einige müssen an/in beide/n binden.


Anmerkung:
- Die beiden Stänge werden "plus" und "minus" Stränge genannt, oder "direkt" und "revers". An einer gegebenen Stelle, wo ein Strang (einer der beiden) eine kodierende Sequenz trägt, ist es unwahrscheinlich (aber nicht unmöglich), daβ der zweite Strang ebenfalls eine kodierende Sequenz enthält.
- DNA wird in vivo ionisiert und verhält sich wie ein Polyanion.

Die Doppelhelix wie oben beschrieben ist die "B"-Form der DNA; es ist die häufigste Form der DNA in vivo, es existieren aber andere Formen in vivo (siehe unten) oder in vitro. Die "A"-Form entspricht der B-DNA aber ist weniger hydriert als B-DNA, die "A"-Form kommt in vivo nicht vor.

 

II.3 Non-B DNA

DNA ist ein Molekül, das sich bewegt, zappelt, Gymnastik betreibt, tanzt. Die unten beschriebenen Strukturen haben bewiesenermaβen funktionelle Rolle; andererseits scheinen sie DNA-Brüche, Deletionen, Amplifikationen, Rekombination und Mutationen zu begünstigen.

Glossar:
Palindrome: das sind Wörter oder Sätze, die von vorne und von hinten gelesen dasselbe ergeben (z.B. "DNA LAND"). DNA spielt gerne mit Palindromen (siehe unten).

II.3.1 Z-DNA

- Die Z-Form ist eine levogyre (linksgängige) Doppelhelix mit einer zick-zack-Konformation des Rückgrads (weniger glatt als B-DNA). Nur eine Furche ist vorhanden, die der kleinen Furche ähnelt, die Basenpaare (die in der B-DNA die groβe Furche bilden, nahe an der Achse) sind seitlich abgesetzt an der äuβeren Oberfläche weit weg von der Achse. Phosphate sind näher beieinander als in B-DNA. Z-DNA kann keine Nukleosomen bilden. - Hoher GC-Gehalt fördert Z-Konformation. Cytosin-methylierung und Moleküle, die in vivo vorhanden sind (wie z.B. Spermin und Spermidin) können Z-Konformation stabilisieren.
- DNA-Sequenzen können von der B-Form in die Z-Form springen und zurück: Z-DNA ist in vivo eine vorübergehenden Form.

- Z-DNA-Bildung geschieht während der Transkription von Genen an den Transkriptionsstartstellen nahe der Promotoren eines aktiv transkribierten Gens. Während der Transkription induziert die Bewegung der RNA-Polymerase ein negatives Supercoiling oberhalb und ein positives Supercoiling unterhalb der Transkriptionsstelle. Das negative Supercoiling oberhalb fördert Z-DNA Bildung; eine der Z-DNA Funktionen könnte sein, das negative Supercoilong zu absorbieren. Am Ende der Transkription bringt Topoisomerase die DNA zurück in die B-Konformation.
- Bestimmte Proteine binden an Z-DNA, insbesondere doppelstängige RNA Adenosindeaminase (ADAR1), ein Z-DNA bindendes Enzym, das nukleare RNA editiert; dieses Enzym konvertiert Adenin zu Inosin in der prä-mRNA. Daraufhin interpretieren die Ribosomen Inosin als Guanin, wodurch sich das kodierte Protein mit seiner epigenetischen Modifikation verändert (siehe Kapitel Epigenetik).

Anmerkung:
- Z-DNA Antikörper gibt es in Lupus erythematosus und anderen Autoimmunerkrankungen.
- Doppelsträngige RNA (dsRNA) kann ebenfalls Z-Konformation annehmen.

II.3.2 Kreuzförmige DNA-struktur und Haarnadel-DNA

- Holliday Junctions (während der Rekombination gebildet) sind kreuzförmige Stukturen. Invertierte (oder Spiegel-) Wiederholungen (Palindrome) von Polypurin / Polypyrimidin-DNA-Regionen können durch intra-Strangpaarung ebenfalls kreuzförmige oder Haarnadelstrukturen annehmen.
- Palindromische AT-reiche Wiederholungen findet man an den Bruchpunkten von t(11;22)(q23;q11), der einzig bekannten immer wieder vorkommenden, angeborenen rezibroken Translokation.
- Nukleasen binden und schneiden Holliday-Junctions nach der Rekombination. Andere gut bekannte Proteine wie die HMG Proteine oder MLL (weiterführend siehe: MLL) können ebenfalls kreuzförmige DNA binden.




II.3.3 H-DNA oder Triplex-DNA

- Invertierte Wiederholungen (Palindrome) von Polypurin- bzw Polypyrimidin-DNA-Regionen können Triplexstrukturen bilden (Tripel–Helix). Ein Tripel-Strang plus ein einzelner Strang werden dabei gebildet.
- H-DNA könnte eine Rolle als funktioneller Regulator bei der Genexpression haben oder auch auf RNAs wirken (z.B. Repression der Transkription).


II.3.4 G4-DNA

- G4-DNA oder Quadruplex-DNA: die Faltung einer doppelsträngiger GC-reichen Sequenz auf sich selbst, wodurch eine Hoogsteen Basenpaarung zwischen 4 Guaninen ("G4"), eine hoch-stabile Stuktur, gebildet wird. Oft wird sie nahe Promotoren von Genen und an den Telomeren gefunden.
- Rolle in Meiose und Rekombination; könnte ein regulatorische Element darstellen.
- RecQ-Familie der Helikasen ist fähig, G4-DNA zu entwinden (z.B. BLM, ein Gen, das im Blooms Syndrom mutiert ist; weiterführende siehe: Bloom syndrome).




 

III Quartärstruktur des Moleküls - Chromatin

DNA ist mit Proteinen assoziiert: Histone und nicht-Histonproteine, wodurch Chromatin gebildet wird. DNA als ganzes ist sauer (negativ geladen) und bindet basische Proteine (positiv geladen) genannt Histone: siehe Kapitel Chromatin .
Es gibt 3 x 10 9 Nukleotidpaare im menschlichen haploiden Genom, was ungefähr 30.000 Genen enspricht, die über 23 Chromosomen eines haploiden Chromosomensatzes verteilt sind.

 

IV Verschiedenes

IV.1 DNA und Mitochondrien

Siehe auch: Mitochondrial inheritance

- DNA findet sich im Nukleus einer Zelle, aber eine kleine Menge gibt es auch in den Mitochondrien.
- Mitochondrien stammen von Archaebakterien ab, die Endosymbionten in einer eukaryotischen Zelle wurden.
- Der genetische Code ist verschieden vom sogenannten "Universalcode" (UGA, AUA, AGA, AGG: STOP, Ile, Arg, ARG im Universalcode; Trp, Met, STOP, STOP in den Mitochondrien von Säugern bzw andere Bedeutung in den Mitochondrien anderer Arten).
- Die Anzahl der DNA-Kopien in einem gegebenen Mitochondrium ist variabel.
- Mitochondriale DNA ist zirkulär, hat schwere und leichte Ketten, hat keine Introns und keine nicht-kodierenden Sequenzen.
- Mitochondriale Gene kodieren für Proteine, die im Elektronentransport, in ribosomalen RNAs (rRNAs) und transfer RNAs (tRNAs) eine Rolle spielen.
- Jeder DNA-Strang wird transkribiert, danach in mRNAs geschnitten, aber auch in rRNAs und tRNAs.

Anmerkung: Mitochondrien verwenden auch Proteine, die aus dem Zytoplasma der Zelle importiert und vom Nukleus kodiert werden; bis jetzt wurden noch keine Proteine gefunden, die von den Mitochondrien ins Zytoplasma exportiert werden, ausgenommen Apoptose.

IV.2 DNA Denaturierung

Die Doppelhelix wird in vitro bei Erwärmung entwunden, bei extremen pH Werten und unter anderen Bedingungen (Harnstoff, ...). Ein Schmelzpunkt kann errechnet werden; er ist charakterisiert duch die A/T vs G/C Proportion des studierten Organismus, und zwar dadurch, daβ es nur 2 Wasserstoffbrücken bei A/T aber 3 bei G/C gibt, letztere stellt eine stabilere Bindung dar. Bei Denaturierung verändern sich die physikalischen Eigenschaften der DNA; z.B. kommt es zu einem hyperchromischen Effekt: Lichtabsorption bei 260 nm ist höher bei denaturierter DNA als bei doppelsträngiger DNA. Lichtabsorption variiert auch bzgl des A/T vx G/C Gehalts: er ist höher in A/T-reichen als in G/C-reichen Organismen.
DNA-Denaturierung sollte man kennen, da sie:
1- die Messung des A/T- vs G/C-Gehalts erlaubt;
2- die Basis von Hybridisierungstechnikek ist (in situ Hybridisierung, blots; Siehe Methods in Genetics).

Ubersetzung : Katrina Vanura

Contributor(s)

Written2006-10Jean-Loup Huret
Genetics, Dept Medical Information, University of Poitiers, CHU Poitiers Hospital, F-86021 Poitiers, France

© Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology
indexed on : Tue Jan 17 17:43:53 CET 2017


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