Topoisomerasen sind Enzyme, die vor allem bei der Replikation der DNA eine wichtige Rolle spielen, sowohl bei Pro- wie auch bei Eukaryoten.
Das Entwinden der DNA-Doppelhelix durch die Helicase baut eine Spannung in dem DNA-Molekül auf. An sich müsste sich nun ein ganzer Teil der gesamten DNA drehen, um diese Spannung abzubauen. Dazu müssten aber Tausende von Nucleotidpaaren bewegt werden, was energetisch sehr ungünstig wäre und den ganzen Replikationsprozess unnötig in die Länge ziehen würde. Spezielle Enzyme, die Topoisomerasen, beseitigen diese Spannungen aber, indem sie die DNA kurzzeitig aufschneiden, einen Teil der DNA drehen und die Schnittstelle dann wieder verschließen [1].
Typ I- und Typ II-Topoisomerasen
Bei den Topoisomerasen gibt es zwei Hauptklassen, nämlich die Typ I- und die Typ II-Topoisomerasen. Die Typ I-Topoisomerasen spalten nur einen der beiden DNA-Stränge des Doppelstrangs, während die Typ II-Topoisomerasen einen Doppelstrangbruch bewirken, also beide DNA-Stränge durchtrennen [2].
Die Typ I-Topoisomerasen sind meistens für die Auflösung von Torsionsspannungen zuständig. Solche Torsionsspannungen (kennt jeder, der schon mal versucht hat, ein langes Kabel aufzuwickeln) entstehen, wenn die Helicase die DNA an der Replikationsstelle entwindet.
Die Typ II-Topoisomerasen lösen eher "Knoten" in der DNA auf, wenn also zwei Teile des Doppelstrangs umeinander gewunden sind. Das kann während der Replikation passieren, aber auch dann, wenn sich die Chromatiden während der Anaphase der Mitose trennen.
Eine Typ I-Topoisomerase arbeitet in drei Schritten [2, 3]
Schritt 1: Bindung an die DNA und nucleophiler Angriff einer Tyrosin-OH-Gruppe des Enzyms auf eine Phosphatgruppe des DNA-Einzelstrangs:
Die Topoisomerase TOP1 spaltet das Rückgrat der DNA. Vergrößern durch Anklicken!
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende
Schritt 2: Durch die Lücke in der DNA kann entweder ein intakter DNA-Strang geleitet werden, oder die DNA kann an dieser Stelle gedreht werden.
Schritt 3: Rückbildung der kovalenten Bindung zwischen der Phosphatgruppe und dem abgetrennten Nucleotid.
Quellen:
- Alberts, Bruce et al. Molekularbiologie der Zelle, 6. Auflage, Weinheim 2017.
- Rolf Knippers: Molekulare Genetik, 9. Auflage, Thieme Verlag, Stuttgart 2006.
- Jochen Graw: Genetik, 7. Auflage, Springer Spektrum, Berlin 2021.