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Lexikon der Biologie: Desoxyribonucleinsäuren

Desoxyribonucleinsäuren, Abk. DNS und (meist) DNA (englisch), hochpolymere Kettenmoleküle (Biopolymere), die die Fähigkeit zur identischen Reduplikation besitzen und durch die lineare Verknüpfung von 4 Grundbausteinen in nichtzufallsmäßiger Reihenfolge bei fast allen Organismen (Leben) und Viren Träger der genetischen Information sind (einzige Ausnahme bilden die sog. RNA-Viren und RNA-Phagen [einzelsträngige RNA-Phagen], deren genetische Information in Form der Nucleotidsequenz von RNA [Ribonucleinsäuren] verschlüsselt ist).
Als Grundbausteine kommen in der DNA fast ausschließlich die 4 Standard- 2´-Desoxyribonucleosidmonophosphate 2´-Desoxyadenosin-5´-monophosphat (dAMP), 2´-Desoxycytidin-5´-monophosphat (dCMP), 2´-Desoxyguanosin-5´-monophosphat (dGMP) und 2´-Desoxythymidin-5´-monophosphat (dTMP) vor, die durch Veresterung der 5´-Phosphatgruppe jedes Grundbausteins mit der 3´-Hydroxylgruppe des jeweils benachbarten Monomeren (unter Ausbildung eines Desoxyribose-Phosphat-Rückgrats) verbunden sind ( vgl. Abb.Desoxyribonucleinsäuren I ). Unter physiologischen Bedingungen liegt DNA nicht in der Säureform, sondern als Poly-Anion mit je einer negativen Ladung pro Nucleotidrest (Nucleotide) vor. Die zur Elektroneutralität erforderlichen Kationen sind sowohl einfache organische Kationen, wie Natrium (Na+), Kalium (K+), Ammonium (NH4+), als auch Amine (z. B. Spermidin) und basische Proteine (DNA-bindende Proteine, Histone; Protein-DNA-Interaktion.). – Sekundärstruktur: Mit Ausnahme der DNAs bestimmter Bakteriophagen, z. B. ΦX174, fd und M13, die einzelsträngig (einzelsträngige DNA-Phagen) bzw. nur im Replikationsstadium doppelsträngig sind, besteht DNA aus 2 komplementären, antiparallel verlaufenden Ketten (Antiparallelität), die über Basenpaarungen zu einer Doppelhelix-Struktur (vgl. Abb.) vereinigt sind. Die künstliche Überführung doppelsträngiger DNA zu einzelsträngiger DNA, z. B. mit Hilfe von Alkali, Säure, Wasserstoffbrücken sprengenden Agenzien (Harnstoff und Formamid), besonders aber durch Temperaturerhöhung, wird als DNA-Denaturierung (im Falle von Temperaturerhöhung auch als DNA-Schmelzen; schmelzen) bezeichnet. Wegen der stärkeren Bindung der G≡C-Basenpaare (3 Wasserstoffbindungen) gegenüber A=T-Basenpaaren (2 Wasserstoffbindungen) erfordert die Denaturierung von DNA mit hohem GC-Gehalt (bzw. niedrigem AT-Gehalt) schärfere Bedingungen (höhere Temperaturen, höhere Konzentrationen an Harnstoff usw.). Inzwischen ist es auch möglich, die beiden DNA-Stränge zumindest über kurze Bereiche durch Zugkräfte zu trennen, wobei pro Basenpaar im Durchschnitt etwa 12 pN aufgewendet werden müssen.
In der Zelle wird DNA nur lokal und vorübergehend, z. B. an den Replikationsgabeln (Replikation), in den Zustand getrennter Einzelstränge überführt. Neben der von J.D. Watson und F.H.C. Crick beschriebenen, rechtsdrehenden DNA-Doppelhelix (B-DNA; vgl. Abb. vgl. Tab.), die sich durch ihre hohe Elastizität auszeichnet, existieren weitere Doppelhelix-Formen. Die ebenfalls rechtsdrehende A-DNA, bei der der Zucker in einer anderen Konformation vorliegt, was Auswirkungen auf die Orientierung der Phosphodiesterbindungen sowie die glykosidischen Bindungen hat, kommt sequenzabhängig bei geringem Wassergehalt und mit Lithium als Gegenion vor (daneben kommen DNA/RNA-Hybride sowie alle doppelsträngigen Abschnitte von RNAs in der A-Form vor; vgl. Abb., vgl. Tab.). Eine weitere Konformation mit rechtsdrehender Helix ist die sog. C-DNA. Ausgehend von der natürlichen B-Form konnte inzwischen auch eine als P-DNA (für "Pauling-like" DNA, da L.C. Pauling vor Entdeckung der B-DNA-Doppelhelix eine ähnliche Form für DNA postulierte) bezeichnete überstreckte Konformation gewonnen werden, bei der nur 2,6 Basenpaare pro Helixwindung vorkommen und die um 75% länger als die B-Form ist. Das Zucker-Phosphat-Rückgrat liegt bei der P-DNA innen, die Basen zeigen ungepaart nach außen. Eine linksdrehende Form, die sog. Z-DNA (vgl. Abb., vgl. Tab.), bei der die beiden Zucker-Phosphat-Rückgrate eine Zickzackform (insgesamt aber doch helikal) bilden, kann bei Strängen mit abwechselnd Purin- und Pyrimidinbasen existieren. Die Z-Form kann auch innerhalb einer B-DNA-Helix vorkommen und wird z. B. durch negative Torsionsspannung, hohe Ionenstärken oder 5-Substitution an Cytosinresten stabilisiert. Ob sich alle diese Formen auch unter physiologischen Bedingungen bilden können, ist umstritten. Im Verlauf der Transkription entsteht hinter der RNA-Polymerase negative Torsionsspannung, die u. a. Z-DNA stabilisieren könnte; die vor der RNA-Polymerase aufgebaute positive Torsionsspannung könnte P-DNA stabilisieren. Verschiedene Formen würden die selektive Bindung von Proteinen und anderen Liganden erlauben. Inzwischen wurden auch viersträngige Strukturen von DNA entdeckt, die sich an Guanin- oder Cytosin-reichen Sequenzen ausbilden können (vgl. Infobox). Durch weitere, den Windungen der DNA-Doppelhelix überlagerte Spiralisierung entstehen supercoil-Formen (supercoil). Diese sind sowohl durch das die DNA umgebende Kationenmilieu als auch durch Bindung von DNA an bestimmte Proteine, bei kernhaltigen Zellen besonders an die Histone (Chromatin), bedingt und führen so zu den stärker verdichteten Strukturen der Chromatiden und Chromosomen, die nach Anfärbung bereits im Licht-Mikroskop erkennbar sind.
Vorkommen: Die Hauptmenge von DNA ist in den Chromosomen der kernhaltigen Zellen der Eukaryoten (Eucyte) bzw. in den chromosomenähnlichen Strukturen (Bakterienchromosom, Nucleoid) der Prokaryoten (Protocyte) lokalisiert. Darüber hinaus kommt DNA extrachromosomal (extrachromosomale Erbfaktoren) in den Mitochondrien (Chondrom) und Plastiden (Plastom) vor und bildet als solche die Grundlage für den semiautonomen Charakter dieser Organellen bzw. für extrachromosomale, d. h. nicht den Mendelschen Regeln gehorchende Erbgänge bestimmter Merkmale. Auch Bakterien und andere Mikroorganismen besitzen häufig extrachromosomale DNA, sog. Plasmide oder Episomen, die sich durch ihre Übertragbarkeit zwischen einzelnen Stämmen auszeichnen. Diese Übertragbarkeit zusammen mit ihrer geringen Größe (meist nur wenige tausend Basenpaare) und dem gehäuften Vorkommen von Resistenzgenen auf Plasmiden (Resistenzfaktoren) hat zu ihrer Verwendung als Klonierungsvektoren (Klonierung) im Rahmen der Gentechnologie geführt.
Modifizierungen: Die DNAs mancher Viren und Bakteriophagen enthalten anstelle von Thymin die Base 5-Hydroxymethyluracil oder anstelle von Cytosin die Base 5-Hydroxymethylcytosin. In sehr geringem Umfang (0,1% und weniger) enthalten bakterielle DNA-Ketten auch Monomerbausteine mit den durch Methylierung modifizierten Basen 5-Methylcytosin und N-6-Methyladenin (Basenmethylierung, DNA-Methylierung). Da die Methylgruppen dieser Basen in der Zelle erst nach dem Aufbau der Ketten, d. h. postreplikativ, eingeführt werden, fungieren sie als Indikatoren zur Unterscheidung zwischen elterlichen (= bereits methylierten) DNA-Strängen und DNA-Tochtersträngen (für begrenzte Zeit nach Replikation noch nicht methyliert) und erlauben dadurch bei DNA-Reparatur-Prozessen (DNA-Reparatur) die präferentielle Reparatur von DNA-Tochtersträngen (zur durch 5-Methylcytosin ausgelösten Mutation: Desaminierung). In der DNA eukaryotischer Organismen ist Cytosin in erheblich stärkerem Umfang zu 5-Methylcytosin umgewandelt (bei Tieren bis zu 2%, bei Algen bis zu 3,5%, bei Pflanzen bis zu 10%, bezogen auf die Gesamt-Basenzusammensetzung). Inzwischen gilt als gesichert, daß die C-Methylierung eukaryotischer DNA Einfluß auf den Regulationszustand (Genregulation) der betreffenden Gene hat. In geringer Menge können außerdem Ribonucleotide in DNA-Ketten in Form von kurzen, aus nur 3–20 Ribonucleosidmonophosphaten aufgebauten RNA-primern vorkommen, die zum Start der DNA-Replikation erforderlich sind. Sie sind entweder nur vorübergehend eingebaut oder überdauern als "Replikationsrelikte". Sie sind zu unterscheiden von den über RNA-Polymerase nicht kovalent an DNA gebundenen RNA-Ketten, die sich während der Transkription der genetischen Information an DNA als Matrize bilden.
Kettenlänge: Die Größe von DNA-Ketten (vgl. Tab.) bewegt sich im Bereich zwischen mehreren tausend (Plasmide, Phagen-DNAs, mitochondriale DNA, plastidäre DNA) und vielen Millionen (Bakterien, Pflanzen, Pilze, Tiere, Mensch) Basenpaaren, wobei allerdings die Gesamt-DNA kernhaltiger Organismen nicht in einer einzigen Kette, sondern verteilt auf mehrere Chromosomen – entsprechend mehrere Ketten – vorliegt. (Hinzu kommen als getrennte Ketten meist noch die extrachromosomalen DNAs der Mitochondrien und Plastiden, die in den betreffenden Organellen in größerer Kopienzahl vorliegen.) In jeder Chromatidfaser eines Chromosoms ist ein durchgehender DNA-Doppelstrang enthalten, dessen Länge je nach Größe des betreffenden Chromosoms zwischen 2 Millionen und 200 Millionen Basenpaaren, entsprechend einer relativen Molekülmasse von 1,2 Milliarden bis 120 Milliarden, liegt. Die Kettenlänge von DNA-Molekülen übertrifft daher diejenigen der anderen in der Zelle vorkommenden linearen Makromoleküle (Polysaccharide, Proteine, RNA) um mehrere Größenordnungen. Schon in Anbetracht dieser außergewöhnlichen Kettenlängen erscheint die Kapazität von DNA zur Speicherung von Information praktisch unbegrenzt. Hinzu kommt noch die einfache kombinatorische Beziehung, die besagt, daß für eine aus 4 verschiedenen Elementen zusammengesetzte Kette mit n Kettengliedern 4n mögliche Sequenzen, d. h. 16 (= 42) verschiedene Dinucleotidsequenzen, 64 (= 43) verschiedene Trinucleotidsequenzen, 256 (= 44) verschiedene Tetranucleotidsequenzen usw., existieren. Schon für die Kettenlänge eines durchschnittlichen Gens von 1000 Basenpaaren ergeben sich die unvorstellbar hohe Zahl von 41000 Sequenzmöglichkeiten und entsprechend riesige Größenordnungen für die aus mehreren Millionen Basenpaaren aufgebauten Genome der Organismen. Daraus folgt, daß während der ca. 3,5 Milliarden Jahre dauernden biologischen Evolution sicher nur ein winziger Bruchteil der theoretisch möglichen Nucleotidsequenzen in Form von DNA realisiert werden konnte, und hiervon wiederum existiert nur ein kleiner Bruchteil in der Gesamtheit der heute lebenden Organismen.
Repetitive Sequenzen: Typisch für DNA kernhaltiger Organismen ist das Vorkommen repetitiver Sequenzen (Sequenzwiederholungen; repetitive DNA), deren Anteil an Gesamt-DNA je nach Spezies zwischen 10% und maximal 80% variiert. Repetitive Sequenzen (vgl. Infobox) kommen besonders häufig in Pflanzen vor und tragen zu den teilweise gewaltigen Unterschieden in den Genomgrößen bei, die innerhalb von Pflanzenfamilien, oft aber auch zwischen unterschiedlichen Geweben ein und derselben Art herrschen. Die Sequenzanalyse einzelner repetitiver Sequenzen hat gezeigt, daß die sich wiederholenden Einheiten in einzelnen Positionen voneinander abweichen, so daß repetitive DNA-Sequenzen nicht als strenge Repetitionen, sondern eher als Variationen über bestimmte "Grundthemen" aufzufassen sind. Aufgrund ihres "monotonen" Charakters enthalten repetitive DNA-Sequenzen keine Gene (Ausnahme s. u.), und trotz zahlreicher Spekulationen muß die Frage nach möglichen anderen Funktionen repetitiver DNA bislang als nicht geklärt gelten. Dies hat u. a. zur Hypothese der sog. "egoistischen" DNA (engl. selfish DNA; egoistische Gene) geführt, wonach die Existenz bestimmter DNA-Sequenzen nicht zur Förderung der Überlebenschancen der betreffenden Spezies beiträgt (diese allerdings auch nicht oder nicht stark genug mindert, um ein Aussterben der betreffenden Spezies zu verursachen), so daß repetitive DNA – ebenso wie die intervenierenden Sequenzen (Genmosaikstruktur) gespaltener Gene – ohne eine für die betreffende Spezies sinnvolle Funktion, gleichsam als blinder Passagier, in deren DNA enthalten und damit als nur für die eigene ("egoistische") Replikation sorgend anzusehen ist. Nur für Mikrosatelliten (Satelliten-DNA) hat sich eine mögliche Bedeutung gefunden. Viele dieser Sequenzen liegen innerhalb von Genen. Sie können im Verlauf der DNA-Replikation mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit verkürzt oder verlängert werden, was zur Verschiebung nachfolgender Basentripletts mit entsprechenden Auswirkungen auf die Proteinsynthese führt. So könnten sie zu einer Beschleunigung der Evolution beitragen, allerdings mit dem Nachteil vielfach nachteiliger Mutationsereignisse. In der Fraktion der sog. "unique"-Sequenzen sind in der Regel die Gene eines Organismus enthalten. Eine Ausnahme bilden die Gene für ribosomale RNA (Ribosomen), die in 50–1000 Kopien im sog. Nucleolus-Organisator (Chromosomen, Nucleolus) bzw. nach Amplifikation (Genamplifikation) in vielen Tausenden von Kopien in Nucleolus-DNA lokalisiert sind und die daher in der Fraktion der mittelrepetitiven DNA-Sequenzen enthalten sind. Eine weitere Ausnahme bilden die für Histone codierenden Gene, die in 250–500 Kopien vertreten sind. DNAs kernloser Organismen, z. B. des Bakteriums Escherichia coli, enthalten dagegen keine repetitiven Sequenzen, wobei als Ausnahmen extrachromosomale Plasmid-DNAs, deren Kopienzahlen bis zu 100 gehen können, und Gene für ribosomale RNA, die z. B. bei Escherichia coli in 7facher, bei Bacillus subtilis (Bacillus) in 10facher Ausführung vorkommen, zu nennen sind.
– Die Synthese von DNA erfolgt in der Zelle durch semikonservative Replikation unter der katalytischen Wirkung mehrerer Enzyme, besonders der DNA-Polymerasen, DNA-Ligasen und DNA-Gyrasen (DNA-Topoisomerasen). Als aktivierte Monomerbausteine werden die 4 2´-Desoxyribonucleosid-5´-triphosphate unter Abspaltung von Pyrophosphat umgesetzt, wobei deren Mononucleotidreste schrittweise in 5´-3´-Richtung der wachsenden DNA-Einzelstränge aneinandergehängt werden. Außer bei der DNA-Replikation laufen DNA-Synthesen auch als Teilschritte bei bestimmten Prozessen der DNA-Reparatur und der DNA-Rekombination ab. Diese DNA-Synthesen beschränken sich jedoch auf kleinere Bereiche der DNA-Ketten. Mit Hilfe einer Kombination von organisch-chemischen und enzymatischen Methoden sind DNA-Synthesen bzw. Gensynthesen auch im Reagenzglas möglich und werden neuerdings in zunehmendem Maße bei gentechnologischen Projekten eingesetzt (Gentechnologie).
– Der Abbau von DNA erfolgt durch Hydrolyse unter der katalytischen Wirkung von Desoxyribonucleasen. Im Reagenzglas kann DNA durch Säureeinwirkung, die vorzugsweise zur Abspaltung der Purinbasen (Adenin und Guanin) unter Bildung von Apurinsäure führt, und anschließende Alkalihydrolyse an den purinfreien Positionen zu einem Gemisch verschiedener Desoxy-Oligonucleotide abgebaut werden. Dimethylsulfat und andere alkylierende Substanzen führen vorzugsweise zur Alkylierung der Purine, am stärksten in der 7-Position von Guanin. Als Folge davon werden die N-glykosidischen Bindungen der Purinbasen gelockert, so daß sich letztere vom Zucker-Phosphat-Rückgrat lösen und dadurch zu Apurin-Positionen (bei vollständiger Reaktion zu Apurinsäure) führen. Hydrazin und Hydroxylamin greifen dagegen die Pyrimidinbasen selektiv an und führen zur Spaltung und Ablösung des Pyrimidin-Gerüsts (Pyrimidin) unter Ausbildung von Apyrimidin-Positionen (bei vollständiger Reaktion zu Apyrimidinsäure). Sowohl an den Apurin- als auch bei den Apyrimidin-Positionen kann das Zucker-Phosphat-Rückgrat durch anschließende Alkalibehandlung gebrochen werden, was gleichbedeutend mit letztlich durch die genannten Reagenzien induzierten DNA-Einzelstrangbrüchen ist. Diese Reaktionsfolgen, die unter speziellen Bedingungen erhöhte Basenspezifität zeigen, bilden die Grundlage der von A. Maxam und W. Gilbert entwickelten Methode zur DNA-Sequenzanalyse (Sequenzierung). Andererseits führen Reaktionen von DNA in der Zelle mit diesen und zahlreichen anderen, jedoch mechanistisch ähnlich wirkenden chemischen Agenzien zur Auslösung von Mutationen.
– Bedeutende Beiträge zur Erforschung der Desoxyribonucleinsäuren (vgl. Infobox) leisteten u. a. O.T. Avery, E. Chargaff, F.H.C. Crick, R.J.W. Feulgen, R.E. Franklin, A.D. Hershey, P. Levene, F. Sanger, J.D. Watson, M.H.F. Wilkins. DNA-Computer, DNA-fingerprinting, DNA-Sequenzer, DNA-Synthesizer. Transkription–Translation;

Desoxyribonucleinsäuren I
Desoxyribonucleinsäuren II
Desoxyribonucleinsäuren III.

H.K./M.B.

Lit.: Sinden, R.R.: DNA structure and function. San Diego 1994. Watson, J.D.: Die Doppelhelix. Hamburg 1997.

Desoxyribonucleinsäuren
Ausschnitt aus einem DNA-Einzelstrang mit der Tetra-Nucleotidsequenz ACGT (in der konventionellen 5´ 3´-Richtung, d. h. vom 5´-Ende zum 3´-Ende, gelesen). Man beachte, daß die waagerechten P–O–CH2-Bindungen aus Gründen der räumlichen Darstellung erheblich überdehnt wiedergegeben und in Wirklichkeit gleich lang wie die senkrechten P–O-Bindungen sind. Man vergleiche dazu das in der Bildtafel Desoxyribonucleinsäuren I wiedergegebene Kugelmodell, das die Atomabstände des Desoxyribose-Phosphat-Rückgrats korrekt wiedergibt (in dem jedoch die Bindungen zwischen Desoxyribose und den Basen überdehnt sind). Man beachte auch, daß in der Bildtafel eine andere der 256 theoretisch möglichen Tetranucleotidsequenzen, nämlich TGCA, gezeigt ist.

 

Desoxyribonucleinsäuren
Z = Pentosezucker 2-Desoxyribose, P = Phosphorsäure, A = Adenin, G = Guanin, C = Cytosin, T = Thymin
Doppelstrangmodell (Doppelhelix) einer DNA.
Links schematisch ein Ausschnitt von 19 Basenpaaren (= fast 2 Windungen), rechts als Molekülmodell geringfügig vergrößert und daher als etwas kleinerer Ausschnitt von nur 16 Basenpaaren. Man beachte die beiden verschieden großen, parallel zu den beiden Zucker-Phosphat-Rückgraten verlaufenden Furchen, die als große bzw. kleine Furche bezeichnet werden; durch diese sind die Basen trotz ihrer Verpackung im Inneren der Doppelhelix und trotz der wechselseitigen Paarung in erheblichem Maße von außen zugänglich. Dies ist von großer Bedeutung für die Interaktion von regulatorisch wirksamen Proteinen (u. a. Repressoren, Aktivatoren, RNA-Polymerase), da so das "Abtasten" bzw. "Erkennen" spezifischer Nucleotidsequenzen auch ohne Aufbrechen der Doppelhelix möglich ist. Die Dicke der Doppelhelix, entsprechend der größten Breite des rechten Modells, beträgt 1,9 nm (= 1,9 · 10–6 mm); die Länge einer helikalen Windung, die ziemlich genau 10 Basenpaaren entspricht, beträgt 3,4 nm. Die Länge einer unverknäuelten DNA von 106 Basenpaaren berechnet sich daraus zu 3,4 · 105 nm = 0,34 mm; entsprechend ist die ca. 4 · 106 Basenpaare umfassende DNA des Bakteriums E. coli in gestreckter Form etwa 1,3 mm lang. Die gesamte DNA einer einzigen menschlichen Eizelle bzw. Samenzelle mit etwa 3 · 109 Basenpaaren summiert sich zu einer Länge von etwa 1 m.

Desoxyribonucleinsäuren
Neuere Forschungsergebnisse: Jüngste Untersuchungen (1999) deuten darauf hin, daß DNA – zumindest im Vakuum oder über kurze Strecken – elektrisch leitfähig ist. Wie jedoch die Ladungen transportiert werden und wie die Basenabfolge im Molekül den Transport beeinflußt, ist umstritten; die Ergebnisse variieren in Abhängigkeit von experimentellen Parametern. Mögliche Anwendungen dieser Befunde wären die Detektion von Mutationen durch Messung der Leitfähigkeit oder die Produktion eindimensionaler Kabel aus DNA für Miniaturmaschinen.
Die Aufnahme von DNA aus der Nahrung ist leichter, als früher (vor 1998) angenommen. Untersuchungen an Mäusen zeigen, daß Desoxyribonucleinsäuren aus der Nahrung oder von Darmbakterien teilweise die Darmpassage intakt überstehen und resorbiert werden. Sie gelangen über Blutzellen in Leber und Milz und können dort offenbar in das Genom verschiedener Zellen integriert werden. Über Keimbahnzellen können die Desoxyribonucleinsäuren auch in das Genom von Zellen der Nachkommen gelangen. Werden sie dort exprimiert, kann dies zur Bildung von Antikörpern gegen die entsprechenden Proteine/Proteinbruchstücke führen. Allerdings dürften sich daraus kaum sicherheitsrelevante Probleme für die Anwendung der Gentechnik in der Nahrungsmittelproduktion ergeben, denn offensichtlich war der Mensch schon immer dem Einfluß fremder Gene ausgesetzt, ohne daß dies ernste Auswirkungen gehabt hätte, und auch Gene in naturbelassenen Nahrungsmitteln sind häufig als gesundheitsbedenklich (z. B. möglicherweise krebsauslösend) einzustufen.
Enzymatisch aktive Ribonucleinsäuren (Ribozyme) sind seit langem bekannt. Bei Untersuchungen mit Varianten bestimmter Desoxyribonucleinsäuren, die mittels in-vitro-Evolution hergestellt wurden, fand man inzwischen auch vielfältige katalytische Eigenschaften von Desoxyribonucleinsäuren.
Neben den bekannten Doppelhelix-Strukturen wurden inzwischen auch viersträngige Strukturen von DNA beschrieben. Guanin-reiche Abschnitte, wie man sie im eukaryotischen Genom häufig in regulatorischen Sequenzen oder den Telomeren findet, bilden Quadruplex-DNAs, die durch Quartette zyklisch gebundener Guaninreste stabilisiert werden und an deren Enden sich Schleifen aus Thyminresten befinden. Cytosin-reiche Abschnitte bilden ebenfalls Quadruplex-DNA aus, jedoch mit anderer Struktur. Zwei parallele Doppelstränge interkalieren ineinander und werden durch hemiprotonierte Cytosin-Cytosin-Basenpaare stabilisiert.


Desoxyribonucleinsäuren
Größen von DNA bzw. Größe des haploiden Genoms ausgewählter Organismen (sortiert nach DNA-Gehalt)
DNA bzw. Organismus DNA-Gehalt (pg) Länge+ Basenpaare+
Plasmid pBR322
aus Escherichia coli
0,0000045 1,4 μm 4363
SV40 0,0000055 1,78 μm 5243
Bakteriophage ΦX174 0,0000059 1,83 μm 5386
Bakteriophage M13 0,0000072 2,18 μm 6407
Bakteriophage T7 0,000044 13,6 μm 39 936
Bakteriophage λ 0,000055 16,5 μm 48 502
Bakteriophage T4 0,0002 56 μm 1,66 · 105
Haemophilus influenzae 0,0020 622 μm 1,830 · 106
Escherichia coli 0,0052 1,6 mm 4,72 · 106
Hefe (Saccharomyces
cerevisiae)
0,0132 4,1 mm 1,2025 · 107
Fadenwurm (Caenorhab-
ditis elegans)
0,0835 24 mm 9,7 · 107
Taufliege (Drosophila
melanogaster)
0,18 56 mm 1,65 · 108
Maus (Mus musculus) 2,5 0,75 m 3,0 · 109
Krallenfrosch (Xenopus
laevis)
3,1 0,95 m 3,1 · 109
Mensch (Homo sapiens) 3,2 0,99 m 3,3 · 109
Mais (Zea mays) 7,3 2,2 m 6,6 · 109
Küchenzwiebel (Allium
cepa)
16,5 5,1 m 1,5 · 1010
Mitochondrien-DNA:
Homo sapiens 0,0000182 5,6 μm 16 569
Saccharomyces cerevisiae 0,000081 25 μm 75 000
Arabidopsis thaliana
0,00041 126 μm 3,72 · 105
Chloroplasten:
Zea mays 0,000155 47 μm 1,40 · 105

1 Pikogramm [pg] = 10–12g. Ein Pikogramm DNA enthält ca. 9,1 · 108 = ca. 910 Mio. Basenpaare und ist entkondensiert ca. 309 mm lang.
+ Die meist elektronenmikroskopisch ermittelten DNA-Längen und die Anzahl der Basenpaare entsprechen häufig nur angenähert der Beziehung 340 nm
1000 Basenpaare. Die Abweichungen sind bei den kürzeren DNA-Ketten durch die Unschärfe der Längenmessungen bedingt, bei den komplexeren DNAs aber auch durch die mit den Kettenlängen zunehmend ungenaueren Bestimmungen der Basenpaarzahlen.

Desoxyribonucleinsäuren
elektronenmikroskopische Aufnahme eines DNA-Moleküls

 

Desoxyribonucleinsäuren
Mindest-DNA-Gehalt des haploiden Genoms (1 n) bei verschiedenen Organismengruppen:
Den DNA-Gehalt des haploiden Genoms, also des einfachen Chromosomensatzes, bezeichnet man auch als C-Wert. Der C-Wert streut ziemlich: er kann z. B. bei bestimmten Amphibien höher als derjenige mancher Säugetiere sein. Hier wurde zum Vergleich jedoch nicht der C-Wert, sondern der in der jeweiligen Organismengruppe niedrigste aufgefundene C-Wert, d. h. der Mindest-DNA-Gehalt des haploiden Genoms, herangezogen. Dann ergibt sich ein markanter Anstieg von den Bakterien bis zu den Säugetieren.

Desoxyribonucleinsäuren
Wichtige Parameter zur Charakterisierung von DNA
a Die durch die heterocyclischen Basen bedingte Absorption von UV-Licht der Wellenlänge 260 nm, die häufig zur optischen Messung von DNA-Konzentrationen benutzt wird (Absorptionsspektrum).
b Basenzusammensetzung (AT-Gehalt, GC-Gehalt).
c Schwebedichte bei Cäsiumchlorid-Dichtegradientenzentrifugation. Die Schwebedichte, die für DNA im Bereich von 1,647 g/cm3 (reine A-T-DNA) bis 1,795 g/cm3 (reine G-C-DNA) liegt, zeigt lineare Abhängigkeit vom G-C-Gehalt und wird daher auch als Methode zur Bestimmung von DNA-Basenzusammensetzungen eingesetzt. Häufig zeigen sich im Cäsiumchlorid-Dichtegradienten neben einer Hauptbande eine oder mehrere Nebenbanden, die DNA-Fraktionen unterschiedlichen G-C-Gehalts darstellen: sie werden als Satelliten-DNA bezeichnet. Anzahl und Lage der Banden von Satelliten-DNAs sind charakteristisch für jede DNA-Spezies.
d Häufigkeit von Basennachbarschaften.
e Kettenlängen, bestimmbar durch Elektronenmikroskopie, durch das Laufverhalten bei Gelelektrophorese und – heute weniger gebräuchlich – durch die Sedimentationsgeschwindigkeit bei Ultrazentrifugation (Ultrazentrifuge). DNA-Kettenlängen werden vorwiegend in Anzahl von Basenpaaren (Abkürzung bp) oder Kilobasenpaaren (Abkürzung kbp oder auch kb) angegeben, seltener durch die entsprechenden relativen Molekülmassen (wobei für ein Basenpaar eine durchschnittliche relative Molekülmasse von 660 einzusetzen ist).
f Häufigkeit und Klassifizierung von Sequenzwiederholungen (repeats, repetitive DNA). Diese sind bestimmbar durch Abbau von DNA mit Restriktionsendonucleasen zu den sich wiederholenden, aus nur wenigen oder bis zu mehreren hundert Basenpaaren bestehenden Sequenzeinheiten oder durch spezielle Hybridisierungstechniken. Zu letzteren zählt besonders die Messung der zeitlichen Abhängigkeit und der Konzentrationsabhängigkeit von Renaturierung einzelsträngiger, d. h. denaturierter DNA zu doppelsträngiger DNA (sog. Renaturierungskinetik, Cot-Wert), da durch diese Methode die Bestimmung der Anteile an sog. "unique"-Sequenzen (in der betreffenden DNA nur einmal oder in wenigen Kopien – bis ca. 10mal – vertreten), mittelrepetitiven Sequenzen (Häufigkeit pro DNA 102 bis 105) und hochrepetitiven Sequenzen (Häufigkeit 105 bis > 106) möglich ist.
g Anzahl und relative Lage von Schnittstellen für Restriktionsenzyme. Die Aufstellung sog. Restriktionskarten ist durch die Vielzahl der heute verfügbaren Restriktionsenzyme zur Routinemethode geworden. Die relativ kleine DNA von DNA-Viren und -Phagen kann oft einer direkten Restriktionskartierung unterzogen werden, da sie je nach Art der eingesetzten Restriktionsenzyme zu nur wenigen Fragmenten führt, deren Einordnung zu einer Karte nur geringe Schwierigkeiten bereitet. Dagegen ist für die Kartierung von DNA aus komplexeren Genomen eine vorherige Anreicherung durch Klonierung (Gentechnologie) erforderlich.
h Sequenzanalyse: die in der zweiten Hälfte der 1970er Jahre entwickelten Methoden zur Sequenzanalyse von DNA ermöglichen die Charakterisierung von DNA auf der Ebene der Monomerbausteine und damit eine Höchstauflösung bezüglich des Informationsgehalts. In Anbetracht der enormen Kettenlängen von DNA war es bis in die 1970er Jahre nicht möglich, einzelne Abschnitte (Gene) direkt zu isolieren und einer Sequenzanalyse zu unterziehen. Den Weg dazu eröffneten die Methoden der Klonierung bzw. spezifischen Spaltung in definierte Fragmente mit Hilfe von Restriktionsendonucleasen. Diese Methoden zusammen mit den Methoden der Sequenzanalyse ermöglichen heute die strukturelle und auch funktionelle Feinanalyse von DNA bzw. von Genen im Rahmen der modernen Gentechnologie. Nachdem ursprünglich gezielt einzelne Gene sequenziert wurden, ging man bald dazu über, ganze Genome zu analysieren, zunächst die kleineren Genome von Zellorganellen sowie von Viren und Bakteriophagen. Inzwischen wurden im Rahmen des Genomprojekts die Genome mehrerer Organismen, von Bakterien, Pflanzen, Pilzen und Tieren – hauptsächlich von Modellorganismen – vollständig sequenziert (Genomik).


Desoxyribonucleinsäuren
Daten zur Geschichte der DNA-Forschung

1869: Erstmalige Isolierung von DNA (damals als Nuclein bezeichnet) aus den Kernen von Eiterzellen und Fischspermien durch J.F. Miescher. Zur Aufklärung der Struktur und zur Erkenntnis der biologischen Bedeutung von DNA ist noch ein weiter Weg. Bis weit in die 40er Jahre des 20. Jahrhunderts werden Proteine als Träger der genetischen Information vermutet bzw. favorisiert.
1903: Chromosomentheorie der Vererbung von W. Sutton und T. Boveri formuliert. In der Folge Entwicklung von Färbemethoden für Nucleinsäuren (z. B. Feulgensche Reaktion).
1928: Phänomen der Transformation durch F. Griffith anhand von Pneumokokken erstmals beschrieben, Natur des transformierenden Prinzips ist jedoch unbekannt.
1944: Die Gruppe O.T. Avery, C.M. MacLeod und M.Mc Carty erbringt mit Hilfe von Transformationsexperimenten an Pneumokokken den ersten experimentellen Nachweis, daß DNA Träger der genetischen Information ist, was 1952 von A.D. Hershey und M. Chase durch Infektion von Bakterien mit Isotopen-markierten Bakteriophagen bestätigt wird.
1953: Postulierung der DNA-Doppelhelixstruktur durch J.D. Watson und F.H.C. Crick mit Hilfe der von E. Chargaff entdeckten Regeln (A = T; G = C) und anhand von eigenen und aus der Gruppe R.E. Franklin und M.H.F. Wilkins stammenden röntgenstrukturanalytischen Daten.
1956: Erstmalige Isolierung von DNA-abhängiger DNA-Polymerase aus E. coli durch A. Kornberg, womit der Grundstein zur Enzymologie der DNA-Replikation gelegt wird.
1967: Erste in-vitro-Replikation infektiöser Bakteriophagen-DNA (Phage ΦX174) durch M. Goulian, A. Kornberg und R.L. Sinsheimer.
1970: Erste Totalsynthese eines Gens (Gen für tRNAAla aus Hefe) mit Hilfe organisch-chemischer und enzymatischer Methoden durch die Arbeitsgruppe um H.G. Khorana. Die Fortführung dieser Arbeiten am Gen für eine Suppressor-tRNATyr aus E. coli und dessen Klonierung mit Hilfe der sich rasch entwickelnden Methoden der Gentechnologie führt 1976 zum ersten völlig synthetischen Gen mit Aktivität in der lebenden Zelle.
1975: Entwicklung von Methoden zur Sequenzanalyse von DNA durch F. Sanger und A. Maxam und W. Gilbert; erstmalige Sequenzanalyse eines vollständigen Virus-Genoms (ΦX174) durch die Arbeitsgruppe um F. Sanger.
1977: Entdeckung der Exon-Intron-Struktur von Genen auf eukaryotischen Chromosomen.
1982: Analyse eines Dodekanucleotids durch Dickerson zeigt Details der DNA-Struktur, die das Modell von Watson und Crick bestätigen, aufgrund von lokalen Abweichungen jedoch weitere Strukturen nahelegen. Seitdem wurden verschiedene stabile Konformationen beschrieben, die wiederum in Abhängigkeit von verschiedenen Wechselwirkungen dynamisch veränderbar sind.
1983: Einführung automatisierter in-vitro-Synthesen von oligo-DNA; Entwicklung der Polymerase-Kettenreaktion durch K.B. Mullis.
1989: Start des Human Genome Project und im Anschluß daran weiterer Projekte zur Totalsequenzierung des Genoms von Lebewesen.
1995: Erste vollständige Sequenzierung des Genoms eines Lebewesens (Haemophilus influenzae).
1998: Erste vollständige Sequenzierung des Genoms eines vielzelligen Organismus (Caenorhabditis elegans), im Jahre 2000 von Drosophila melanogaster.


Desoxyribonucleinsäuren
A-, B- und Z-Form der DNA
Die von Watson und Crick postulierte B-Form der DNA ist die generelle DNA-Struktur, wie sie in lebenden Zellen vorkommt. Die A-Form der DNA entspricht in ihrem Aussehen einem doppelsträngigen RNA-Molekül bzw. einem DNA-RNA-Hybrid-Molekül. Die Z-Form der DNA, die im Gegensatz zur A- und B-Form nur eine Furche hat, ist eine linksgedrehte Helix. Sie ist in vitro sequenzspezifisch leicht herstellbar; wichtig ist, daß eine Z-Form der DNA in eine B-Form überführt werden kann. (gr.Fu. = große Furche, kl.Fu. = kleine Furche).

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