Okazaki-Fragment

Bedeutung und Grundprinzip

Okazaki-Fragmente sind in der Molekularbiologie kurze DNA-Abschnitte, die bei der DNA-Replikation am Folgestrang entstehen. Sie sind nötig, weil DNA-Polymerasen einen neuen DNA-Strang ausschließlich in 5′→3′-Richtung aufbauen können. Bei Prokaryoten sind Okazaki-Fragmente 1000 bis 2000 Nukleotide lang, bei Eukaryoten 100 bis 200 Nukleotide.

Bei der Replikation wird ein doppelsträngiges DNA-Molekül verdoppelt. Es entstehen zwei gleiche DNA-Doppelstränge, die jeweils aus einem alten und einem neu gebildeten Strang bestehen; dies heißt semikonservative Bildung. Dadurch liegt die genetische Information in zwei Kopien vor. Seltene Fehler ausgenommen, haben die neuen Doppelstränge die gleiche Basensequenz wie das ursprüngliche Molekül.

Replikationsgabel und Leit- beziehungsweise Folgestrang

Zunächst wird die DNA-Doppelhelix an bestimmten Stellen durch Helikase-Aktivität entwunden. Dabei werden die Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren gelöst. Am Replikationsursprung, auch Origin genannt, liegen zwei getrennte Einzelstränge vor. Jeder alte Strang dient als Matrize, also als Vorlage, für einen durch Basenpaarung bestimmten komplementären neuen Strang.

Die Auftrennung schreitet vom Origin aus als Y-förmige Replikationsgabel entlang der DNA fort. Sie erfolgt in beide entgegengesetzte Richtungen. Weil die beiden Matrizenstränge antiparallel, also gegensinnig orientiert sind, kann an einer Matrize ein neuer Strang in Bewegungsrichtung der Replikationsgabel kontinuierlich entstehen. Dieser heißt Leitstrang oder leading strand. Am anderen Matrizenstrang muss die Polymerase dagegen entgegen der Bewegungsrichtung der Gabel arbeiten. Dort entsteht der Folgestrang oder lagging strand zunächst aus vielen einzelnen Okazaki-Fragmenten. Bei den meist zwei gegenläufig wandernden Replikationsgabeln schließt der Folgestrang der einen an den Leitstrang der anderen an.

Bildung der Fragmente

DNA-Polymerasen fügen schrittweise aktivierte Nukleotide, dNTP, an das 3′-Ende eines bereits vorhandenen Nukleinsäurestrangs an. Deshalb ist die Polymerisation nur in 5′→3′-Richtung möglich. Für den Start benötigt die Polymerase einen Primer: ein kurzes Oligonukleotid aus RNA, das von einer Primase bereitgestellt und an die DNA-Matrize gebunden wird.

Von diesem RNA-Primer aus ergänzt die DNA-Polymerase DNA-Nukleotide. Bei der fragmentarischen Synthese des Folgestrangs arbeitet sie, bis sie auf das 5′-Ende eines zuvor entstandenen Fragments trifft. Danach wird weiter vorn an der freigelegten Matrize mit einem neuen Primer ein weiteres Fragment begonnen. In Bakterien ist für die Polymerisation DNA-Polymerase III (Pol III) zuständig, in Säugerzellen DNA-Polymerase δ und DNA-Polymerase ε, in Mitochondrien DNA-Polymerase γ.

Kleine ringförmige Genome von Prokaryoten oder Mitochondrien besitzen meist nur einen Replikationsursprung. Große eukaryotische Genome haben dagegen oft mehrere Tausend Origins, sodass viele Replikationsgabeln gleichzeitig arbeiten und die Replikation schneller abläuft.

Lückenfüllung und Verknüpfung

Damit aus den einzelnen Okazaki-Fragmenten ein durchgängiger Folgestrang wird, wird zunächst der RNA-Primer durch ein Enzym mit Nuklease-Aktivität entfernt. Anschließend ersetzt eine Reparaturpolymerase den Primer durch DNA und füllt die Lücke mit komplementären Nukleotiden. Dies ist bei Prokaryoten DNA-Polymerase I (Pol I), bei Eukaryoten DNA-Polymerase α.

Zuletzt verbindet eine DNA-Ligase die vollständig ergänzten Fragmente. Sie bildet eine Esterbindung zwischen der Hydroxygruppe der Desoxyribose am 3′-Ende eines Teilstrangs und dem Phosphatrest am 5′-Ende des nächsten. So entsteht ein Folgestrang mit bruchlosem Rückgrat. Die Schritte zur Integration der Okazaki-Fragmente ähneln Vorgängen der DNA-Reparatur.