Helikasen

Helikasen sind Enzyme, die in allen Lebewesen und den meisten Viren vorkommen und die die Struktur doppelsträngiger Nukleinsäuren verändern. In der Regel lösen sie die Basenpaarung von doppelten DNA- oder RNA-Strängen auf. Auch Sekundärstrukturen von Nukleinsäuren können Ziel von Helikasen sein. Je nach Substrat wird zwischen DNA- und RNA-Helikasen unterschieden. Sie sind unentbehrlich bei der Replikation, DNA-Reparatur und der Rekombination. Als Entdecker gilt der Heidelberger Hartmut Hoffmann-Berling.

Struktur von E. coli Helikase RuvA

Funktion

DNA-Helikasen spielen vor allem bei der Replikation des Genoms eine entscheidende Rolle: sie entwinden die DNA-Einzelstränge, bevor sie durch Replikation verdoppelt werden. Der Mcm-Komplex dient Eukaryoten als replikative Helikase. Helikasen eröffnen auch die eukaryotische Transkription, indem sie das Kopieren der DNA zu mRNA durch die RNA-Polymerase vorbereiten.

RNA-Helikasen sind bei fast allen Prozessen im RNA-Stoffwechsel essentiell: der Transkription, dem RNA-Processing (z. B. Splicing oder der Biogenese von ribosomalen Untereinheiten), der Translation und dem RNA-Abbau. Sie benutzen die Energie aus der Hydrolyse der NTPs in der Regel dazu, doppelsträngige Bereiche in der DNA- bzw. RNA-Sekundärstruktur aufzuschmelzen (d. h. die Basenpaarung aufzulösen). Diese Funktion der Enzyme kann in vitro an künstlichen Substraten nachvollzogen werden. Essentiell dafür ist ein für die Gruppe der RNA-Helikasen spezifisches Motiv in ihrer Helikase-Domäne. Aufgrund kleiner Sequenzunterschiede in diesem Motiv werden RNA-Helikasen in verschiedene Familien aufgeteilt, z. B. DEAD-box und DEHxD-box Helikasen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass RNA-Helikasen in einigen Fällen nicht nur RNA-Basenpaarungen entwinden können, sondern auch dazu in der Lage sind, die Interaktion von Proteinen mit der RNA aufzulösen. Man spricht in diesem Zusammenhang von RNP-Remodeling.

Klassifikation

Helikasen werden aufgrund ihrer Aminosäuresequenz in fünf Superfamilien eingeteilt (SF1-SF5). Es ist davon auszugehen, dass sich in dieser Gruppierung sowohl die evolutionsbiologische Verwandtschaft als auch strukturelle Ähnlichkeiten ausdrücken. Beispiele innerhalb der Familien sind:

• SF1/2: DEAD-Box-RNA-Helikasen wie eIF4A, DEAH-Box-RNA-Helikasen, die mit dem Transkriptionsfaktor IIH assoziierten TFIIH-Helikasen XPB und XPD, sowie weitere eukaryotische, bakterielle und virale Helikasen
• SF3: hauptsächlich Helikasen in kleinen RNA- und DNA-Viren
• SF4: die hexameren dnaB-Proteine in bakteriellen Primosomen

Medizin

Ein Helikase-Defekt ist die Ursache des Werner-Syndroms. Neben den Erkrankungen aufgrund der fehlenden oder unzureichenden Aktivität der Helikase kann die Inhibition des Enzyms z. B. bei Herpesviren Grundlage neuer Therapeutika sein (Helikase Primase Inhibitoren).

Weiterführende Literatur

• James A. Borowiec: DNA Helicases. In: Melvin L. DePamphilis (Hrsg.): DNA replication in eukaryotic cells. CSHL Press, 1996, ISBN 0-87969-459-9, S. 545–574. 
• Boriana Martintcheva und Sandra K. Weller: A Tale of Two HSV-1 Helicases: Role of Phage and Animal Virus Helicases in DNA Replication and Recombination. In: Kivie Moldave (Hrsg.): Progress in nucleic acid research and molecular biology 70. Academic Press, 2001, ISBN 0-12-540070-5, S. 78–118. 
• C. L. Mandahar: Multiplication of RNA plant viruses. Springer, 2006, ISBN 1-4020-4724-X, S. 151–165. 
• Caruthers JM, McKay DB: Helicase structure and mechanism. In: Curr. Opin. Struct. Biol. 12. Jahrgang, Nr. 1, Februar 2002, S. 123–33, PMID 11839499. 
• Gorbalenya A.E. and Koonin E.V.: Helicases: amino acid sequence comparisons and structure-function relationships. Curr. Opin. Struct. Biol. 3:419-429(1993). doi:10.1016/S0959-440X(05)80116-2
• Mackintosh SG, Raney KD: DNA unwinding and protein displacement by superfamily 1 and superfamily 2 helicases. In: Nucleic Acids Res. 34. Jahrgang, Nr. 15, 2006, S. 4154–9, doi:10.1093/nar/gkl501, PMID 16935880, PMC 1616963 (freier Volltext). 

Einzelnachweise

1. Mahmoud Abdel-Monem, Hildegard Dürwald, Hartmut Hoffmann-Berling: Enzymic unwinding of DNA: 2. Chain separation by an ATP‐dependent DNA unwinding enzyme. In: Eur J Biochem 65, 2, 1976: 441–449. doi:10.1111/j.1432-1033.1976.tb10359.x
2. M. L. Bochman, A. Schwacha: The Mcm complex: unwinding the mechanism of a replicative helicase. In: Microbiology and molecular biology reviews : MMBR. Band 73, Nummer 4, Dezember 2009, S. 652–683, doi:10.1128/MMBR.00019-09, PMID 19946136, PMC 2786579 (freier Volltext) (Review). Mcm: Akronym für Minichromosome maintenance. Verallgemeinert: Mcm-Helikasen tragen zur genomischen Stabilität bei.
3. Superfamilies 1 and 2 helicase domain profiles.
4. Superfamilies 3 helicase domain profile.
5. Superfamilies 4 helicase domain profile.