Supercoiling

Supercoiling ist ein wichtiger molekularer Vorgang, der die DNA kompakter im Zellkern ablegt und den Zugang zum genetischen Code reguliert. Dadurch beeinflusst das Supercoiling den DNA-Metabolismus und die Genexpression. Für die enzymatische Steuerung des Supercoilings sind Topoisomerasen verantwortlich.

Bei einer entspannten B-DNA winden sich die beiden Nukleotidstränge etwa alle 10,5 Basenpaare um die helikale Achse. Eine solche Windung bezeichnet man als "Twist". Der Twist eines topologischen B-DNA-Segments lässt sich dadurch berechnen, dass man die Anzahl der Basenpaare durch 10,5 teilt.

Wenn man die beiden Enden eines DNA-Segments mit einem Twist von 1 zu einem Kreis zusammenfügt, verwindet sich die DNA spontan zur einer neuen Form, die wie eine "8" aussieht. Diese Verwindung bezeichnet man "Writhe". Ein Writhe von 1 ist die einfachste Form des Supercoilings. Der Twist gibt also die Anzahl der Helixwindungen, der Writhe die Anzahl der Male an, die sich der DNA-Strang selbst überkreuzt.

Twist (T) und Writhe (W) stehen über die stets ganzzahlige Verknüpfungszahl (Linking number, Lk) miteinander in Beziehung:

• Lk = T + W

Bei konstanter Verknüpfungszahl zieht eine Änderung des Twists deshalb immer eine Änderung des Writhe und damit des Supercoilings nach sich.

Je nachdem, in welche Drehrichtung sich das Supercoiling vollzieht, unterscheidet man

• positives Supercoiling (linksgängig bzw. gegen den Uhrzeigerzinn) und
• negatives Supercoiling (rechtsgängig bzw. im Uhrzeigersinn)

Die DNA der meisten Organismen liegt im Normalfall als negative DNA-Supercoil vor. Positives Supercoiling entsteht vorübergehend während der Replikation und Transkription der DNA. Wenn es nicht umgehend entspannt wird, führt es zum Stillstand dieser Prozesse.

Aufgrund der Länge der DNA in den menschlichen Chromosomen verhalten sich die mittleren DNA-Segmente so, also ob sie ebenfalls fixiert wären, d.h. als ob eine ringförmige DNA vorläge. Deshalb kommt es auch hier zum Supercoiling.