Ribonukleinsäure (RNA)-Primer spielen eine wesentliche Rolle bei der Desoxyribonukleinsäure (DNA)-Replikation, dem Kopieren von DNA-Molekülen, das in allen lebenden Organismen vorkommt. Die Replikation ermöglicht es einem Organismus, genetische Informationen, die in einer Kopie seiner DNA enthalten sind, an seine Nachkommen weiterzugeben. RNA-Primer helfen, die Replikation auf molekularer Ebene einzuleiten. Sie wirken in Verbindung mit mehreren Enzymen oder Proteinen, die an diesem Prozess beteiligte Reaktionen katalysieren.
RNA ist wie DNA ein Molekül, das aus Untereinheiten besteht, die Nukleotide genannt werden. Jedes Nukleotid in einer RNA- oder DNA-Kette enthält eine chemische Verbindung, die als Nukleobase bekannt ist. DNA-Nukleobasen sind Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. In der RNA wird die Verbindung Uracil anstelle von Thymin verwendet, aber die anderen Nukleobasen sind die gleichen wie in der DNA.
Jede Nukleobase in einem RNA- oder DNA-Strang verbindet sich chemisch mit einer komplementären Nukleobase auf einem anderen DNA- oder RNA-Strang, um ein Basenpaar zu bilden, wodurch eine Doppelhelix entsteht. Adenin paart sich mit Thymin oder Uracil, während Guanin mit Cytosin paart. Das Muster sich wiederholender Einheiten erzeugt eine Sequenz, in der genetische Informationen gespeichert werden können.
Während der Replikation spaltet das Enzym Helikase die Bindungen zwischen den Nukleotiden und trennt das DNA-Molekül in seine beiden konstituierenden Stränge. Ein weiteres Enzym, DNA-Polymerase, bindet komplementäre Nukleotide an jeden Einzelstrang. Dieser Prozess erzeugt ein Duplikat des ursprünglichen DNA-Moleküls, indem jeder der beiden komplementären Stränge als Matrize verwendet wird.
DNA-Polymerase kann einem sich entwickelnden Strang Nukleotide hinzufügen, aber keinen neuen Strang von Grund auf erstellen. Hier kommen RNA-Primer ins Spiel. RNA-Primer sind kurze Stränge von jeweils etwa 10 oder 11 Nukleotiden und werden vom Enzym Primase gebildet. Primase bindet an Helicase, um eine Struktur zu bilden, die als Primosom bekannt ist. Das Primosom bindet komplementäre Nukleotide an das einzelsträngige DNA-Molekül, wodurch ein RNA-Primer entsteht, und die Wirkung der RNA-Primer entlang der Kette löst die DNA-Polymerase aus.
Die Anordnung von Atomen innerhalb von Nukleotidmolekülen bewirkt, dass DNA- und RNA-Stränge direktional sind – jeder Strang hat eine bestimmte Ausrichtung. Die Strangenden werden nach dem Bereich des Nukleotidmoleküls benannt, mit dem sie enden. Das mit fünf Strichen versehene (5′) Ende eines Strangs endet mit dem fünften Kohlenstoffatom in der Kohlenstoffringstruktur des Moleküls. Komplementäre Stränge sind einander entgegengesetzt orientiert, so dass der andere Strang an dieser Stelle ein dreigestrichenes (3′) Ende hätte, das in seinem dritten Kohlenstoffatom endet. Um dies zu veranschaulichen: Wenn ein Strang einer Doppelhelix von 5′ bis 3′ von links nach rechts verläuft, muss der gegenüberliegende Strang von 3′ bis 5′ von links nach rechts verlaufen.
DNA-Polymerase kann nur Nukleotide an das 3′-Ende anfügen und arbeitet zum 5′-Ende hin. Nur ein RNA-Primer wird benötigt, um diesen Prozess vom führenden Strang, der in 3′ endet, zu starten. Die Replikation des gegenüberliegenden nacheilenden Strangs ist komplizierter. Die DNA-Polymerase fügt diesem Strang intermittierend Nukleotide nach hinten hinzu und arbeitet in kurzen Sequenzen, während die Stränge gespalten werden. Jede Sequenz erfordert am Anfang einen RNA-Primer, sodass mehrere RNA-Primer benötigt werden, um den nacheilenden Strang zu replizieren.