Palindromische DNA-Sequenzen
Inhalt
Was sind palindromische DNA-Sequenzen?
Ein Palindrom ist ein Wort oder Text, der vorwärts wie rückwärts den gleichen Inhalt hat.
Bsp.:
- Otto, Lagerregal, Anna usw.
- Ein Neger mit Gazelle zagt im Regen nie. (Nicht mehr politisch korrekt!)
Unter einer Sequenz der DNA versteht man die Abfolge von Buchstaben (A, C, T, G) aus denen die DNA aufgebaut ist. Sie stehen stellvertretend für die Purinbasen A = Adenin und G = Guanin, so wie für die Pyrimidinbasen C = Cytosin und T = Thymin. In der RNA tritt an Stelle von Thymin die Pyrimidinbase U = Uracil auf.
Die DNA ist aber kein normaler Text wie man ihn im Buch findet. Sie besteht aus zwei Strängen aus Buchstaben, die immer gepaart sind, also voneinander abhängen. Es bindet immer eine Purinbase mit einer Pyrimidinbase. Es bindet A-T und C-G, dabei ist es egal, in welchem der beiden Stränge die jeweilige Base sitzt. Jeder Strang besitzt eine Leserichtung, die vorgegeben ist durch die Abfolge der C-Atome des Zuckers im Rückgrats des DNA-Strangs. (Wer sich nicht wirklich auskennt mit dem Aufbau der DNA, sollte sich den Artikel dazu ansehen – Genetik 4: Aufbau der DNA.)
Die Leserichtung geht dabei vom 5′- zum 3′-Ende. Da beide Stränge antiparalell verlaufen, also in entgegengesetzte Richtung voneinander verlaufen, stellt der eine Strang die Leserichtung von links nach rechts dar und der andere von rechts nach links.
Eine palindromische DNA Sequenz liegt also immer dann vor, wenn man in beiden Strängen die gleiche Sequenz der Basen hat, wenn man vom 5′- zum 3′-Ende liest.
Abb. 1: Beispiele für palindromische DNA-Sequenzen und ihre Auswirkung – a) palindromisch – doppelsträngig; b) nicht-palindromisch – doppelsträngig; c) palindromisch – einzelsträngig; d) Hairpin-Loop – Struktur, die durch semipalindromische DNA-Sequenzen entsteht – einzelsträngig
Bei dem Beispiel a) in Abb. 1 handelt es sich um eine palindromische DNA-Sequenz, da man in beiden Strängen 5′-GAATTC-3′ lesen kann. Wohingegen im Beispiel b) die beiden Sequenzen in den beiden Strängen unterschiedlich ist: 5′-GGTAGGT-3′ zu 5′-ACCTACC-3′.
Wieso sind palindromische DNA-Sequenzen wichtig?
Jetzt wo wir wissen was eine palindromische DNA-Sequenz ist, stellt sich natürlich die Frage, warum sind sie so wichtig.
Palindromische DNA-Sequenzen haben zwei wichtige Eigenschaften, die eine bezieht sich auf die DNA und die andere auf RNA.
Bedeutung von palindromischen DNA-Sequenzen in der DNA – dopplsträngig
Wie wir gesehen haben besteht die DNA aus zwei gegenläufigen DNA-Strängen. Das schöne bei palindromischen DNA-Sequenzen ist, wenn ich eine bestimmte Stelle auf der DNA suche, spielt es bei palindromischen DNA-Sequenzen keine Rolle welchen DNA-Strang ich meine, da auf beiden DNA-Strängen genau das gleiche an der gleichen Stelle steht. Bei nicht-palindromischen DNA-Sequenzen ist das nicht klar. Dies spielt vor allem bei Restriktionsenzymen (Enzyme, die die DNA an einer bestimmten Stelle Schneiden) eine Rolle, die palindromische Sequenzen zur Erkennung verwenden.
Bedeutung von Palindromischen DNA-Sequenzen in der RNA – einzelsträngig
Selbstbindung von einzelsträngiger RNA & DNA
Besonderer Bedeutung kommen palindromische Sequenzen in der RNA zu. Eine palindromische DNA-Sequenz wird durch die Transkription von DNA zu RNA einzelsträngig. Diese einzelsträngige RNA ist aufgrund der Eigenschaften dann dazu in der Lage sich selbst zu binden.
Wie funktioniert das?
In unserem Beispiel von oben haben wir dann nur noch die Sequenz 5′-GAATTC-3′. Diese kann in der Mitte nach dem letzten A umklappen und mit sich selbst binden, dass es dann so aussieht wie in Abb. 1 c.
Hairpin-Loops aus semipalindromischen Sequenzen
Besondere Bedeutung kommen so genannten Hairpin-Loops (Haarnadelschleifen) zu. Wie sie in Abb. 1 d zu sehen sind. Diese entstehen durch semipalindromische Sequenzen. Semi bedeutet halb. Es handelt sich also um Sequenzen, die aus einem palindromischen Teil besteht, hier bindet die RNA oder einzelsträngige DNA mit sich selbst und nicht-palindromischer DNA, die den Loop, den Ring bilden.
Diese Hairpin-Loops dienen dazu RNA- und DNA-Strukturen zu stabilisieren. Man findet sie zum Beispiel in der t-RNA, im Ironresponselement oder auch in der tracrRNA im CRISPR/Cas-System. Diese Strukturen stellen häufig Erkennungsmerkmale der RNA dar, dienen dazu die RNA vor dem Abbau zu schützen und sorgen so für eine längere Verweildauer im Zellplasma. Durch die stabilisierende Wirkung auf die dreidimensionale Form wird auch die enzymatische Wirkung von RNA-Molekülen, sogenannten Ribozymen, ermöglicht.