DNA -DNA

Strukturen til DNA- dobbelthelixen (type B-DNA ). Atomene i strukturen er fargekodet etter element og de detaljerte strukturene til to basepar er vist nederst til høyre.

Deoksyribonukleinsyre ( / d iːˈɒk sɪˌr aɪb oʊnj uːˌk l iːɪk , -ˌk l eɪ- / ( hør ) ; DNA ) er en polymer sammensatt av to polynukleotidkjeder som spoler rundt hver _ _ _ _ _ _ _ annet for å danne en dobbel helix . Polymeren har genetiske instruksjoner for utvikling, funksjon, vekst og reproduksjon av alle kjente organismer og mange virus . DNA og ribonukleinsyre (RNA) er nukleinsyrer . Ved siden av proteiner , lipider og komplekse karbohydrater ( polysakkarider ), er nukleinsyrer en av de fire hovedtypene makromolekyler som er essensielle for alle kjente livsformer .

De to DNA-trådene er kjent som polynukleotider da de er sammensatt av enklere monomere enheter kalt nukleotider . Hvert nukleotid er sammensatt av en av fire nitrogenholdige nukleobaser ( cytosin [C], guanin [G], adenin [A] eller tymin [T]), et sukker kalt deoksyribose og en fosfatgruppe . Nukleotidene er forbundet med hverandre i en kjede av kovalente bindinger (kjent som fosfodiester-koblingen ) mellom sukkeret til ett nukleotid og fosfatet til det neste, noe som resulterer i en vekslende sukker-fosfat-ryggrad . De nitrogenholdige basene til de to separate polynukleotidtrådene er bundet sammen, i henhold til baseparingsregler (A med T og C med G), med hydrogenbindinger for å lage dobbelttrådet DNA. De komplementære nitrogenbasene er delt inn i to grupper, pyrimidiner og puriner . I DNA er pyrimidinene tymin og cytosin; purinene er adenin og guanin.

Begge trådene av dobbelttrådet DNA lagrer den samme biologiske informasjonen . Denne informasjonen replikeres når de to trådene skilles. En stor del av DNA (mer enn 98% for mennesker) er ikke-kodende , noe som betyr at disse seksjonene ikke fungerer som mønstre for proteinsekvenser . De to DNA-strengene løper i motsatte retninger av hverandre og er dermed antiparallelle . Festet til hvert sukker er en av fire typer nukleobaser (eller baser ). Det er sekvensen av disse fire nukleobasene langs ryggraden som koder for genetisk informasjon. RNA- tråder lages ved å bruke DNA-tråder som en mal i en prosess som kalles transkripsjon , der DNA-baser byttes ut med deres tilsvarende baser bortsett fra når det gjelder tymin (T), som RNA erstatter uracil (U). Under den genetiske koden spesifiserer disse RNA-trådene sekvensen av aminosyrer i proteiner i en prosess som kalles translasjon .

Innenfor eukaryote celler er DNA organisert i lange strukturer kalt kromosomer . Før typisk celledeling dupliseres disse kromosomene i prosessen med DNA-replikasjon, og gir et komplett sett med kromosomer for hver dattercelle. Eukaryote organismer ( dyr , planter , sopp og protister ) lagrer mesteparten av sitt DNA inne i cellekjernen som kjernefysisk DNA , og noen i mitokondriene som mitokondrielt DNA eller i kloroplaster som kloroplast-DNA . I motsetning til dette lagrer prokaryoter ( bakterier og archaea ) deres DNA bare i cytoplasmaet , i sirkulære kromosomer . Innenfor eukaryote kromosomer komprimerer og organiserer kromatinproteiner , som histoner , DNA. Disse komprimeringsstrukturene styrer interaksjonene mellom DNA og andre proteiner, og hjelper til med å kontrollere hvilke deler av DNA som blir transkribert.

Egenskaper

Kjemisk struktur av DNA; hydrogenbindinger vist som stiplede linjer. Hver ende av dobbelthelixen har et eksponert 5'- fosfat på den ene tråden og en eksponert 3'- hydroksylgruppe (-OH) på den andre.

DNA er en lang polymer laget av repeterende enheter kalt nukleotider . Strukturen til DNA er dynamisk langs dens lengde, og er i stand til å vikle seg inn i tette løkker og andre former. I alle arter er den sammensatt av to spiralformede kjeder, bundet til hverandre av hydrogenbindinger . Begge kjedene er kveilet rundt samme akse, og har samme stigning på 34 ångströms (3,4  nm ). Kjedeparet har en radius på 10 Å (1,0 nm). I følge en annen studie, når den ble målt i en annen løsning, målte DNA-kjeden 22–26 Å (2,2–2,6 nm) bred, og en nukleotidenhet målte 3,3 Å (0,33 nm) lang.

DNA eksisterer vanligvis ikke som en enkelt tråd, men i stedet som et par tråder som holdes tett sammen. Disse to lange trådene vikler seg rundt hverandre, i form av en dobbel helix . Nukleotidet inneholder både et segment av ryggraden i molekylet (som holder kjeden sammen) og en nukleobase (som interagerer med den andre DNA-tråden i helixen). En nukleobase knyttet til et sukker kalles et nukleosid , og en base knyttet til et sukker og til en eller flere fosfatgrupper kalles et nukleotid . En biopolymer som omfatter flere koblede nukleotider (som i DNA) kalles et polynukleotid .

Ryggraden i DNA-strengen er laget av vekslende fosfat- og sukkergrupper . Sukkeret i DNA er 2-deoksyribose , som er et pentose (femkarbon ) sukker. Sukkerene er forbundet med fosfatgrupper som danner fosfodiesterbindinger mellom det tredje og femte karbonatomet i tilstøtende sukkerringer. Disse er kjent som 3'-ende (tre prime ende) og 5' ende (fem prime ende) karboner, primtallssymbolet brukes til å skille disse karbonatomene fra de i basen som deoksyribosen danner en glykosidbinding til .

Derfor har enhver DNA-tråd normalt en ende der det er en fosfatgruppe festet til 5'-karbonet i en ribose (5'-fosforylen) og en annen ende der det er en fri hydroksylgruppe festet til 3'-karbonet i en ribose (3'-hydroksylen). Orienteringen av 3′ og 5′ karbonene langs sukker-fosfat-ryggraden gir retningsbestemt (noen ganger kalt polaritet) til hver DNA-streng. I en nukleinsyredobbelhelix er retningen til nukleotidene i den ene tråden motsatt av retningen i den andre tråden: trådene er antiparallelle . De asymmetriske endene av DNA-tråder sies å ha en retningsevne på fem prime ende (5′), og tre prime ende (3′), der 5′ enden har en terminal fosfatgruppe og 3′ enden en terminal hydroksylgruppe. En stor forskjell mellom DNA og RNA er sukkeret, hvor 2-deoksyribosen i DNA blir erstattet av den relaterte pentosesukkerribosen i RNA.

En del av DNA. Basene ligger horisontalt mellom de to spiralformede trådene ( animert versjon ).

DNA-dobbelthelixen stabiliseres først og fremst av to krefter: hydrogenbindinger mellom nukleotider og basestabling- interaksjoner mellom aromatiske nukleobaser. De fire basene som finnes i DNA er adenin ( A ), cytosin ( C ), guanin ( G ) og tymin ( T ). Disse fire basene er festet til sukkerfosfatet for å danne det komplette nukleotidet, som vist for adenosinmonofosfat . Adenin parer med tymin og guanin parer med cytosin, og danner AT- og GC- basepar .

Nukleobaseklassifisering

Nukleobasene er klassifisert i to typer: purinene , A og G , som er fusjonerte fem- og seksleddede heterocykliske forbindelser , og pyrimidinene , de seksleddede ringene C og T. En femte pyrimidinnukleobase, uracil ( U ), tar vanligvis plass til tymin i RNA og skiller seg fra tymin ved at den mangler en metylgruppe på ringen. I tillegg til RNA og DNA er det laget mange kunstige nukleinsyreanaloger for å studere egenskapene til nukleinsyrer, eller for bruk i bioteknologi.

Ikke-kanoniske baser

Modifiserte baser forekommer i DNA. Den første av disse som ble gjenkjent var 5-metylcytosin , som ble funnet i genomet til Mycobacterium tuberculosis i 1925. Grunnen til tilstedeværelsen av disse ikke-kanoniske basene i bakterievirus ( bakteriofager ) er å unngå restriksjonsenzymer som finnes i bakterier. Dette enzymsystemet fungerer i det minste delvis som et molekylært immunsystem som beskytter bakterier mot infeksjon med virus. Modifikasjoner av basene cytosin og adenin, de mer vanlige og modifiserte DNA-basene, spiller viktige roller i den epigenetiske kontrollen av genuttrykk i planter og dyr.

En rekke ikke-kanoniske baser er kjent for å forekomme i DNA. De fleste av disse er modifikasjoner av de kanoniske basene pluss uracil.

  • Modifisert adenin
    • N6-karbamoyl-metyladenin
    • N6-metyadenin
  • Modifisert guanin
    • 7-Deazaguanine
    • 7-metylguanin
  • Modifisert cytosin
    • N4-metylcytosin
    • 5-karboksylcytosin
    • 5-formylcytosin
    • 5-Glykosylhydroksymetylcytosin
    • 5-Hydroksycytosin
    • 5-Methylcytosin
  • Modifisert tymidin
    • a-Glutamythymidin
    • a-Putrescinyltymin
  • Uracil og modifikasjoner
    • Base J
    • Uracil
    • 5-dihydroksypentauracil
    • 5-hydroksymetyldeoksyuracil
  • Andre
    • Deoksyarkeosin
    • 2,6-diaminopurin (2-aminoadenin)

Riller

DNA store og mindre riller. Sistnevnte er et bindingssted for Hoechst-fargestoffet 33258.

To spiralformede tråder danner DNA-ryggraden. En annen dobbel helix kan bli funnet som sporer mellomrommene, eller sporene, mellom strengene. Disse hulrommene er ved siden av baseparene og kan gi et bindingssted . Siden trådene ikke er symmetrisk plassert i forhold til hverandre, er sporene ulik størrelse. Hovedsporet er 22 ångströms (2,2 nm) bredt, mens det mindre sporet er 12 Å (1,2 nm) bredt. På grunn av den større bredden på det store sporet, er kantene på basene mer tilgjengelige i det store sporet enn i det mindre sporet. Som et resultat kommer proteiner som transkripsjonsfaktorer som kan binde seg til spesifikke sekvenser i dobbelttrådet DNA vanligvis i kontakt med sidene av basene som er eksponert i hovedsporet. Denne situasjonen varierer i uvanlige konformasjoner av DNA i cellen (se nedenfor) , men de store og mindre sporene er alltid navngitt for å gjenspeile forskjellene i bredden som ville bli sett hvis DNA ble vridd tilbake til den vanlige B-formen .

Baseparing

Basepar GC.svg
Basepar AT.svg
Topp, et GC- basepar med tre hydrogenbindinger . Nederst, et AT- basepar med to hydrogenbindinger. Ikke-kovalente hydrogenbindinger mellom parene er vist som stiplede linjer.

I en DNA-dobbelthelix binder hver type nukleobase på den ene tråden seg med bare én type nukleobase på den andre tråden. Dette kalles komplementær baseparing . Puriner danner hydrogenbindinger til pyrimidiner, med adeninbinding bare til tymin i to hydrogenbindinger, og cytosinbinding bare til guanin i tre hydrogenbindinger. Dette arrangementet av to nukleotider som binder seg sammen over dobbelthelixen (fra seks-karbonring til sekskarbonring) kalles et Watson-Crick basepar. DNA med høyt GC-innhold er mer stabilt enn DNA med lavt GC -innhold. Et Hoogsteen-basepar (hydrogen som binder 6-karbonringen til 5-karbonringen) er en sjelden variant av baseparing. Siden hydrogenbindinger ikke er kovalente , kan de brytes og gjenforenes relativt enkelt. De to DNA-trådene i en dobbel helix kan dermed trekkes fra hverandre som en glidelås, enten av en mekanisk kraft eller høy temperatur . Som et resultat av denne baseparkomplementariteten dupliseres all informasjonen i den dobbelttrådete sekvensen til en DNA-helix på hver tråd, som er avgjørende for DNA-replikasjon. Denne reversible og spesifikke interaksjonen mellom komplementære basepar er kritisk for alle funksjonene til DNA i organismer.

ssDNA vs. dsDNA

Som nevnt ovenfor er de fleste DNA-molekyler faktisk to polymertråder, bundet sammen på en spiralformet måte av ikke-kovalente bindinger; denne dobbelttrådete (dsDNA)-strukturen opprettholdes i stor grad av intertrådbasestablingsinteraksjonene, som er sterkest for G,C -stabler. De to trådene kan skilles fra hverandre - en prosess kjent som smelting - for å danne to enkeltstrengede DNA (ssDNA) molekyler. Smelting skjer ved høye temperaturer, lavt salt og høy pH (lav pH smelter også DNA, men siden DNA er ustabilt på grunn av sur depurinering, brukes lav pH sjelden).

Stabiliteten til dsDNA-formen avhenger ikke bare av GC -innholdet (% G,C basepar), men også av sekvens (siden stabling er sekvensspesifikk) og også lengde (lengre molekyler er mer stabile). Stabiliteten kan måles på ulike måter; en vanlig måte er smeltetemperaturen (også kalt T m- verdi), som er temperaturen der 50 % av de dobbelttrådede molekylene omdannes til enkelttrådede molekyler; smeltetemperatur er avhengig av ionestyrke og konsentrasjonen av DNA. Som et resultat er det både prosentandelen av GC- basepar og den totale lengden av en DNA-dobbelthelix som bestemmer styrken til assosiasjonen mellom de to DNA-strengene. Lange DNA-helikser med høyt GC -innhold har sterkere samvirkende tråder, mens korte helixer med høyt AT- innhold har mer svakt interagerende tråder. I biologi har deler av DNA-dobbelthelixen som trenger å skilles enkelt, slik som TATAAT Pribnow-boksen i noen promotere , en tendens til å ha et høyt AT- innhold, noe som gjør trådene lettere å trekke fra hverandre.

I laboratoriet kan styrken til denne interaksjonen måles ved å finne smeltetemperaturen T m som er nødvendig for å bryte halvparten av hydrogenbindingene. Når alle baseparene i en DNA-dobbelhelix smelter, skilles trådene og eksisterer i løsning som to helt uavhengige molekyler. Disse enkeltstrengede DNA-molekylene har ingen felles form, men noen konformasjoner er mer stabile enn andre.

Beløp

Skjematisk karyogram av et menneske. Den viser 22 homologe kromosomer , både den kvinnelige (XX) og den mannlige (XY) versjonen av kjønnskromosomet (nederst til høyre), samt mitokondriegenomet (skalert nederst til venstre). Den blå skalaen til venstre for hvert kromosompar (og mitokondrie-genomet) viser lengden i form av millioner av DNA- basepar .

Hos mennesker strekker det totale kvinnelige diploide kjernegenomet per celle seg over 6,37 Gigabasepar (Gbp), er 208,23 cm langt og veier 6,51 pikogram (pg). Hannverdier er 6,27 Gbp, 205,00 cm, 6,41 pg. Hver DNA-polymer kan inneholde hundrevis av millioner nukleotider, for eksempel i kromosom 1 . Kromosom 1 er det største menneskelige kromosomet med omtrent 220 millioner basepar , og vil være85 mm lang hvis rettet.

I eukaryoter , i tillegg til kjernefysisk DNA , er det også mitokondrielt DNA (mtDNA) som koder for visse proteiner som brukes av mitokondriene. mtDNA er vanligvis relativt lite sammenlignet med kjernefysisk DNA. For eksempel danner det menneskelige mitokondrielle DNA lukkede sirkulære molekyler, som hver inneholder 16 569 DNA-basepar, hvor hvert slikt molekyl normalt inneholder et komplett sett med mitokondrielle gener. Hvert menneskelig mitokondrie inneholder i gjennomsnitt omtrent 5 slike mtDNA-molekyler. Hver menneskecelle inneholder omtrent 100 mitokondrier, noe som gir et totalt antall mtDNA-molekyler per menneskelig celle på omtrent 500. Mengden mitokondrier per celle varierer imidlertid også etter celletype, og en eggcelle kan inneholde 100.000 mitokondrier, tilsvarende opptil 1.500.000 kopier av mitokondriegenomet (som utgjør opptil 90 % av cellens DNA).

Fornuft og antisense

En DNA-sekvens kalles en "sense"-sekvens hvis den er den samme som en messenger-RNA- kopi som er oversatt til protein. Sekvensen på den motsatte tråden kalles "antisense"-sekvensen. Både sense- og antisense-sekvenser kan eksistere på forskjellige deler av den samme DNA-strengen (dvs. begge strengene kan inneholde både sense- og antisense-sekvenser). I både prokaryoter og eukaryoter produseres antisense RNA-sekvenser, men funksjonene til disse RNA-ene er ikke helt klare. Et forslag er at antisense-RNA-er er involvert i å regulere genuttrykk gjennom RNA-RNA-baseparing.

Noen få DNA-sekvenser i prokaryoter og eukaryoter, og flere i plasmider og virus , visker ut skillet mellom sense- og antisense-tråder ved å ha overlappende gener . I disse tilfellene har noen DNA-sekvenser dobbel funksjon, og koder for ett protein når det leses langs en tråd, og et andre protein når det leses i motsatt retning langs den andre tråden. Hos bakterier kan denne overlappingen være involvert i reguleringen av gentranskripsjon, mens i virus øker overlappende gener mengden informasjon som kan kodes i det lille virale genomet.

Supercoiling

DNA kan vris som et tau i en prosess som kalles DNA supercoiling . Med DNA i sin "avslappede" tilstand, sirkler en tråd vanligvis aksen til den doble helixen en gang hvert 10,4 basepar, men hvis DNA er vridd blir trådene tettere eller mer løst sår. Hvis DNA er vridd i retning av helixen, er dette positiv supercoiling, og basene holdes tettere sammen. Hvis de er vridd i motsatt retning, er dette negativ supercoiling, og basene går lettere fra hverandre. I naturen har det meste av DNA en liten negativ supercoiling som introduseres av enzymer kalt topoisomeraser . Disse enzymene er også nødvendige for å lindre vridningsspenningene som introduseres i DNA-tråder under prosesser som transkripsjon og DNA-replikasjon .

Alternative DNA-strukturer

Fra venstre til høyre, strukturene til A , B og Z-DNA

DNA eksisterer i mange mulige konformasjoner som inkluderer A-DNA- , B-DNA- og Z-DNA- former, selv om bare B-DNA og Z-DNA er blitt observert direkte i funksjonelle organismer. Konformasjonen som DNA vedtar, avhenger av hydreringsnivået, DNA-sekvensen, mengden og retningen av supercoiling, kjemiske modifikasjoner av basene, typen og konsentrasjonen av metallioner og tilstedeværelsen av polyaminer i løsning.

De første publiserte rapportene om A-DNA -røntgendiffraksjonsmønstre - og også B-DNA - brukte analyser basert på Patterson-funksjoner som ga bare en begrenset mengde strukturell informasjon for orienterte DNA-fibre. En alternativ analyse ble foreslått av Wilkins et al. i 1953 for in vivo B-DNA røntgendiffraksjonsspredningsmønstre for høyt hydratiserte DNA-fibre når det gjelder kvadrater av Bessel-funksjoner . I samme tidsskrift presenterte James Watson og Francis Crick sin molekylære modelleringsanalyse av DNA-røntgendiffraksjonsmønstrene for å antyde at strukturen var en dobbel helix.

Selv om B-DNA-formen er mest vanlig under forholdene som finnes i celler, er det ikke en veldefinert konformasjon, men en familie av beslektede DNA-konformasjoner som forekommer ved de høye hydreringsnivåene som er tilstede i cellene. Deres tilsvarende røntgendiffraksjon og spredningsmønstre er karakteristiske for molekylære parakrystaller med en betydelig grad av uorden.

Sammenlignet med B-DNA er A-DNA-formen en bredere høyrehendt spiral, med et grunt, bredt mindre spor og et smalere, dypere hovedspor. A-formen forekommer under ikke-fysiologiske forhold i delvis dehydrerte prøver av DNA, mens den i cellen kan produseres i hybridparinger av DNA- og RNA-tråder, og i enzym-DNA-komplekser. Segmenter av DNA hvor basene er blitt kjemisk modifisert ved metylering kan gjennomgå en større endring i konformasjon og anta Z-formen . Her dreier trådene seg om spiralaksen i en venstrehåndsspiral, det motsatte av den mer vanlige B-formen. Disse uvanlige strukturene kan gjenkjennes av spesifikke Z-DNA-bindende proteiner og kan være involvert i reguleringen av transkripsjon.

Alternativ DNA-kjemi

I mange år har eksobiologer foreslått eksistensen av en skyggebiosfære , en postulert mikrobiell biosfære på jorden som bruker radikalt forskjellige biokjemiske og molekylære prosesser enn det som er kjent for øyeblikket. Et av forslagene var eksistensen av livsformer som bruker arsen i stedet for fosfor i DNA . En rapport i 2010 om muligheten i bakterien GFAJ-1 ble annonsert, selv om forskningen var omstridt, og bevis tyder på at bakterien aktivt forhindrer inkorporering av arsen i DNA-ryggraden og andre biomolekyler.

Quadruplex strukturer

DNA-quadruplex dannet av telomere- repetisjoner. Den loopede konformasjonen av DNA-ryggraden er veldig forskjellig fra den typiske DNA-helixen. De grønne kulene i midten representerer kaliumioner.

I endene av de lineære kromosomene er spesialiserte regioner av DNA kalt telomerer . Hovedfunksjonen til disse regionene er å la cellen replikere kromosomendene ved å bruke enzymet telomerase , ettersom enzymene som normalt replikerer DNA ikke kan kopiere de ekstreme 3′-endene av kromosomene. Disse spesialiserte kromosomhettene bidrar også til å beskytte DNA-endene, og stoppe DNA-reparasjonssystemene i cellen fra å behandle dem som skader som skal korrigeres. I humane celler er telomerer vanligvis lengder av enkelttrådet DNA som inneholder flere tusen repetisjoner av en enkel TTAGGG-sekvens.

Disse guaninrike sekvensene kan stabilisere kromosomender ved å danne strukturer av stablede sett med firebaseenheter, i stedet for de vanlige baseparene som finnes i andre DNA-molekyler. Her danner fire guaninbaser, kjent som en guanintetrad , en flat plate. Disse flate fire-base enhetene stables deretter oppå hverandre for å danne en stabil G-quadruplex -struktur. Disse strukturene stabiliseres ved hydrogenbinding mellom kantene på basene og chelering av et metallion i midten av hver firebaseenhet. Andre strukturer kan også dannes, med det sentrale settet med fire baser som kommer fra enten en enkelt tråd brettet rundt basene, eller flere forskjellige parallelle tråder, som hver bidrar med en base til den sentrale strukturen.

I tillegg til disse stablede strukturene, danner telomerer også store løkkestrukturer kalt telomerløkker, eller T-løkker. Her krøller det enkelttrådede DNA seg rundt i en lang sirkel stabilisert av telomerbindende proteiner. Helt på slutten av T-løkken holdes det enkelttrådede telomer-DNAet på et område med dobbelttrådet DNA ved at telomertråden forstyrrer det dobbeltspiralformede DNA og baseparing til en av de to strengene. Denne trippeltrådede strukturen kalles en forskyvningsløkke eller D-løkke .

Branch-dna-single.svg Branch-DNA-multiple.svg
Enkel gren Flere grener
Forgrenet DNA kan danne nettverk som inneholder flere grener.

Forgrenet DNA

I DNA oppstår frynsing når ikke-komplementære regioner eksisterer på slutten av en ellers komplementær dobbeltstreng av DNA. Imidlertid kan forgrenet DNA oppstå hvis en tredje DNA-streng introduseres og inneholder tilstøtende regioner som er i stand til å hybridisere med de frynsete områdene til den eksisterende dobbeltstrengen. Selv om det enkleste eksemplet på forgrenet DNA bare involverer tre DNA-tråder, er komplekser som involverer ytterligere tråder og flere grener også mulig. Forgrenet DNA kan brukes i nanoteknologi for å konstruere geometriske former, se avsnittet om bruk i teknologi nedenfor.

Kunstige baser

Flere kunstige nukleobaser har blitt syntetisert, og vellykket inkorporert i den åtte-base DNA-analogen kalt Hachimoji DNA . Disse kunstige basene, kalt S, B, P og Z, er i stand til å binde seg til hverandre på en forutsigbar måte (S–B og P–Z), opprettholde den doble helixstrukturen til DNA og bli transkribert til RNA. Deres eksistens kan sees på som en indikasjon på at det ikke er noe spesielt med de fire naturlige nukleobasene som utviklet seg på jorden. På den annen side er DNA nært beslektet med RNA som ikke bare fungerer som et transkripsjon av DNA, men også utfører som molekylære maskiner mange oppgaver i celler. For dette formålet må den foldes inn i en struktur. Det har vist seg at for å tillate å lage alle mulige strukturer kreves det minst fire baser for tilsvarende RNA , mens et høyere antall også er mulig, men dette ville være i strid med det naturlige prinsippet om minst mulig innsats .

Surhet

Fosfatgruppene i DNA gir det lignende sure egenskaper som fosforsyre , og det kan betraktes som en sterk syre . Det vil bli fullstendig ionisert ved en normal cellulær pH, og frigjøre protoner som etterlater negative ladninger på fosfatgruppene. Disse negative ladningene beskytter DNA fra nedbrytning ved hydrolyse ved å frastøte nukleofiler som kan hydrolysere det.

Makroskopisk utseende

Urent DNA ekstrahert fra en appelsin

Rent DNA ekstrahert fra celler danner hvite, trevlete klumper.

Kjemiske modifikasjoner og endret DNA-emballasje

Cytosin.svg 5-Methylcytosine.svg Thymin.svg
cytosin 5-metylcytosin tymin
Struktur av cytosin med og uten 5-metylgruppen. Deaminering konverterer 5-metylcytosin til tymin.

Basemodifikasjoner og DNA-emballasje

Uttrykket av gener påvirkes av hvordan DNA er pakket i kromosomer, i en struktur som kalles kromatin . Basemodifikasjoner kan være involvert i pakking, med regioner som har lavt eller ingen genuttrykk som vanligvis inneholder høye nivåer av metylering av cytosinbaser . DNA-pakking og dens innflytelse på genuttrykk kan også skje ved kovalente modifikasjoner av histonproteinkjernen som DNA er pakket inn i kromatinstrukturen eller ved ombygging utført av kromatinremodelleringskomplekser (se Kromatinremodellering ). Det er videre krysstale mellom DNA-metylering og histonmodifikasjon, slik at de koordinert kan påvirke kromatin og genuttrykk.

For ett eksempel produserer cytosinmetylering 5-metylcytosin , som er viktig for X-inaktivering av kromosomer. Det gjennomsnittlige nivået av metylering varierer mellom organismer - ormen Caenorhabditis elegans mangler cytosinmetylering, mens virveldyr har høyere nivåer, med opptil 1 % av deres DNA som inneholder 5-metylcytosin. Til tross for viktigheten av 5-metylcytosin, kan det deaminere og etterlate en tyminbase, så metylerte cytosiner er spesielt utsatt for mutasjoner . Andre basemodifikasjoner inkluderer adeninmetylering i bakterier, tilstedeværelsen av 5-hydroksymetylcytosin i hjernen og glykosylering av uracil for å produsere "J-basen" i kinetoplastider .

Skader

Et kovalent addukt mellom en metabolsk aktivert form av benzo[ a ]pyren , hovedmutagenet i tobakksrøyk , og DNA

DNA kan bli skadet av mange slags mutagener , som endrer DNA-sekvensen . Mutagener inkluderer oksidasjonsmidler , alkyleringsmidler og også høyenergi elektromagnetisk stråling som ultrafiolett lys og røntgenstråler . Hvilken type DNA-skade som produseres avhenger av typen mutagen. For eksempel kan UV-lys skade DNA ved å produsere tymin-dimerer , som er tverrbindinger mellom pyrimidinbaser. På den annen side produserer oksidanter som frie radikaler eller hydrogenperoksid flere former for skade, inkludert basemodifikasjoner, spesielt av guanosin, og dobbelttrådsbrudd. En typisk menneskelig celle inneholder rundt 150 000 baser som har fått oksidativ skade. Av disse oksidative lesjonene er de farligste dobbelttrådsbrudd, da disse er vanskelige å reparere og kan produsere punktmutasjoner , innsettinger , delesjoner fra DNA-sekvensen og kromosomale translokasjoner . Disse mutasjonene kan forårsake kreft . På grunn av iboende grenser i DNA-reparasjonsmekanismene, hvis mennesker levde lenge nok, ville de alle til slutt utvikle kreft. DNA-skader som er naturlig forekommende , på grunn av normale cellulære prosesser som produserer reaktive oksygenarter, de hydrolytiske aktivitetene til cellulært vann, etc., forekommer også ofte. Selv om de fleste av disse skadene er reparert, kan det i enhver celle forbli noe DNA-skade til tross for reparasjonsprosesser. Disse gjenværende DNA-skadene akkumuleres med alderen i postmitotisk vev fra pattedyr. Denne opphopningen ser ut til å være en viktig underliggende årsak til aldring.

Mange mutagener passer inn i rommet mellom to tilstøtende basepar, dette kalles interkalering . De fleste interkalatorer er aromatiske og plane molekyler; eksempler inkluderer etidiumbromid , akridiner , daunomycin og doksorubicin . For at en interkalator skal passe mellom baseparene, må basene skilles, og forvrenge DNA-trådene ved avvikling av dobbelthelixen. Dette hemmer både transkripsjon og DNA-replikasjon, og forårsaker toksisitet og mutasjoner. Som et resultat kan DNA-interkalatorer være kreftfremkallende , og i tilfelle av thalidomid, et teratogent . Andre som benzo[ a ]pyrendiolepoksid og aflatoksin danner DNA-addukter som induserer feil i replikasjonen. Ikke desto mindre, på grunn av deres evne til å hemme DNA-transkripsjon og replikasjon, brukes andre lignende toksiner også i kjemoterapi for å hemme raskt voksende kreftceller .

Biologiske funksjoner

Plassering av eukaryot kjernefysisk DNA i kromosomene

DNA forekommer vanligvis som lineære kromosomer i eukaryoter , og sirkulære kromosomer i prokaryoter . Settet med kromosomer i en celle utgjør dens genom ; det menneskelige genomet har omtrent 3 milliarder basepar med DNA ordnet i 46 kromosomer. Informasjonen som bæres av DNA holdes i sekvensen av biter av DNA kalt gener . Overføring av genetisk informasjon i gener oppnås via komplementær baseparing. For eksempel, i transkripsjon, når en celle bruker informasjonen i et gen, kopieres DNA-sekvensen til en komplementær RNA-sekvens gjennom tiltrekningen mellom DNA og de riktige RNA-nukleotidene. Vanligvis blir denne RNA-kopien deretter brukt til å lage en matchende proteinsekvens i en prosess som kalles translasjon , som avhenger av den samme interaksjonen mellom RNA-nukleotider. På en alternativ måte kan en celle kopiere sin genetiske informasjon i en prosess som kalles DNA-replikasjon . Detaljene til disse funksjonene er dekket i andre artikler; her fokuseres det på interaksjonene mellom DNA og andre molekyler som medierer funksjonen til genomet.

Gener og genomer

Genomisk DNA er tett og ordnet pakket i prosessen som kalles DNA-kondensering , for å passe til de små tilgjengelige volumene i cellen. I eukaryoter er DNA lokalisert i cellekjernen , med små mengder i mitokondrier og kloroplaster . I prokaryoter holdes DNA i en uregelmessig formet kropp i cytoplasmaet kalt nukleoid . Den genetiske informasjonen i et genom holdes i gener, og hele settet med denne informasjonen i en organisme kalles dens genotype . Et gen er en arveenhet og er en DNA-region som påvirker en bestemt egenskap i en organisme. Gener inneholder en åpen leseramme som kan transkriberes, og regulatoriske sekvenser som promotere og enhancere , som kontrollerer transkripsjon av den åpne leserammen.

Hos mange arter koder bare en liten del av den totale sekvensen av genomet for protein. For eksempel består bare omtrent 1,5 % av det menneskelige genomet av proteinkodende eksoner , med over 50 % av humant DNA bestående av ikke-kodende repeterende sekvenser . Årsakene til tilstedeværelsen av så mye ikke-kodende DNA i eukaryote genomer og de ekstraordinære forskjellene i genomstørrelse , eller C-verdi , blant arter, representerer et langvarig puslespill kjent som " C-verdienigmaet ". Imidlertid kan noen DNA-sekvenser som ikke koder for protein fortsatt kode for funksjonelle ikke-kodende RNA- molekyler, som er involvert i reguleringen av genuttrykk .

T7 RNA-polymerase (blå) som produserer et mRNA (grønt) fra en DNA-mal (oransje)

Noen ikke-kodende DNA-sekvenser spiller strukturelle roller i kromosomer. Telomerer og sentromerer inneholder vanligvis få gener, men er viktige for funksjonen og stabiliteten til kromosomer. En rikelig form for ikke-kodende DNA hos mennesker er pseudogener , som er kopier av gener som har blitt deaktivert av mutasjon. Disse sekvensene er vanligvis bare molekylære fossiler , selv om de av og til kan tjene som genetisk råmateriale for å skape nye gener gjennom prosessen med genduplisering og divergens .

Transkripsjon og oversettelse

Et gen er en sekvens av DNA som inneholder genetisk informasjon og kan påvirke fenotypen til en organisme. Innenfor et gen definerer sekvensen av baser langs en DNA-streng en messenger-RNA- sekvens, som deretter definerer en eller flere proteinsekvenser. Forholdet mellom nukleotidsekvensene til gener og aminosyresekvensene til proteiner bestemmes av reglene for oversettelse , samlet kjent som den genetiske koden . Den genetiske koden består av tre-bokstavs 'ord' kalt kodoner dannet av en sekvens av tre nukleotider (f.eks. ACT, CAG, TTT).

Ved transkripsjon kopieres kodonene til et gen til messenger-RNA av RNA-polymerase . Denne RNA-kopien dekodes deretter av et ribosom som leser RNA-sekvensen ved å basepare messenger-RNA for å overføre RNA , som bærer aminosyrer. Siden det er 4 baser i 3-bokstavskombinasjoner, er det 64 mulige kodoner (4 3  kombinasjoner). Disse koder for de tjue standard aminosyrene , og gir de fleste aminosyrer mer enn ett mulig kodon. Det er også tre 'stopp'- eller 'tull-kodoner' som indikerer slutten på kodingsområdet; disse er TAG-, TAA- og TGA-kodonene (UAG, UAA og UGA på mRNA).

DNA-replikasjon: Den doble helixen vikles av en helikase og topoisomerase . Deretter produserer en DNA-polymerase den ledende trådkopi. En annen DNA-polymerase binder seg til den etterslepende tråden . Dette enzymet lager diskontinuerlige segmenter (kalt Okazaki-fragmenter ) før DNA-ligase binder dem sammen.

Replikering

Celledeling er avgjørende for at en organisme skal vokse, men når en celle deler seg, må den replikere DNAet i genomet slik at de to dattercellene har samme genetiske informasjon som foreldrene. Den dobbelttrådete strukturen til DNA gir en enkel mekanisme for DNA-replikasjon . Her separeres de to trådene og deretter gjenskapes hver tråds komplementære DNA- sekvens av et enzym kalt DNA-polymerase . Dette enzymet lager den komplementære tråden ved å finne den riktige basen gjennom komplementær baseparing og binde den til den opprinnelige tråden. Siden DNA-polymeraser bare kan forlenge en DNA-tråd i en 5′ til 3′-retning, brukes forskjellige mekanismer for å kopiere de antiparallelle strengene til den doble helixen. På denne måten dikterer basen på den gamle tråden hvilken base som vises på den nye tråden, og cellen ender opp med en perfekt kopi av sitt DNA.

Ekstracellulære nukleinsyrer

Nakent ekstracellulært DNA (eDNA), det meste av det frigjort ved celledød, er nesten allestedsnærværende i miljøet. Konsentrasjonen i jord kan være så høy som 2 μg/L, og konsentrasjonen i naturlige vannmiljøer kan være så høy på 88 μg/L. Ulike mulige funksjoner har blitt foreslått for eDNA: det kan være involvert i horisontal genoverføring ; det kan gi næringsstoffer; og det kan fungere som en buffer for å rekruttere eller titrere ioner eller antibiotika. Ekstracellulært DNA fungerer som en funksjonell ekstracellulær matrisekomponent i biofilmene til flere bakteriearter. Det kan fungere som en gjenkjennelsesfaktor for å regulere festing og spredning av spesifikke celletyper i biofilmen; det kan bidra til biofilmdannelse; og det kan bidra til biofilmens fysiske styrke og motstand mot biologisk stress.

Cellefritt foster-DNA finnes i blodet til moren, og kan sekvenseres for å bestemme mye informasjon om fosteret i utvikling.

Under navnet miljø-DNA har eDNA sett økt bruk i naturvitenskapen som et kartleggingsverktøy for økologi , overvåking av bevegelser og tilstedeværelse av arter i vann, luft eller på land, og vurdering av et områdes biologiske mangfold.

Nøytrofile ekstracellulære feller

Nøytrofile ekstracellulære feller (NET) er nettverk av ekstracellulære fibre, hovedsakelig sammensatt av DNA, som lar nøytrofiler , en type hvite blodlegemer, drepe ekstracellulære patogener samtidig som de minimerer skade på vertscellene.

Interaksjoner med proteiner

Alle funksjonene til DNA er avhengig av interaksjoner med proteiner. Disse proteininteraksjonene kan være uspesifikke, eller proteinet kan binde seg spesifikt til en enkelt DNA-sekvens. Enzymer kan også binde seg til DNA og av disse er polymerasene som kopierer DNA-basesekvensen ved transkripsjon og DNA-replikasjon spesielt viktige.

DNA-bindende proteiner

Interaksjon av DNA (i oransje) med histoner (i blått). Disse proteinenes grunnleggende aminosyrer binder seg til de sure fosfatgruppene på DNA.

Strukturelle proteiner som binder DNA er godt forstått eksempler på ikke-spesifikke DNA-protein interaksjoner. Innenfor kromosomer holdes DNA i komplekser med strukturelle proteiner. Disse proteinene organiserer DNA i en kompakt struktur kalt kromatin . Hos eukaryoter involverer denne strukturen DNA-binding til et kompleks av små grunnleggende proteiner kalt histoner , mens i prokaryoter er flere typer proteiner involvert. Histonene danner et skiveformet kompleks kalt et nukleosom , som inneholder to komplette svinger med dobbelttrådet DNA viklet rundt overflaten. Disse ikke-spesifikke interaksjonene dannes gjennom basiske rester i histonene, og danner ioniske bindinger til den sure sukker-fosfat-ryggraden i DNA, og er dermed i stor grad uavhengige av basesekvensen. Kjemiske modifikasjoner av disse grunnleggende aminosyrerestene inkluderer metylering , fosforylering og acetylering . Disse kjemiske endringene endrer styrken på samspillet mellom DNA og histone, noe som gjør DNA mer eller mindre tilgjengelig for transkripsjonsfaktorer og endrer transkripsjonshastigheten. Andre ikke-spesifikke DNA-bindende proteiner i kromatin inkluderer høymobilitetsgruppeproteiner, som binder seg til bøyd eller forvrengt DNA. Disse proteinene er viktige for å bøye rekker av nukleosomer og ordne dem i de større strukturene som utgjør kromosomene.

En distinkt gruppe av DNA-bindende proteiner er de DNA-bindende proteinene som spesifikt binder enkelttrådet DNA. Hos mennesker er replikasjonsprotein A det best kjente medlemmet av denne familien og brukes i prosesser der dobbelthelixen separeres, inkludert DNA-replikasjon, rekombinasjon og DNA-reparasjon. Disse bindende proteinene ser ut til å stabilisere enkelttrådet DNA og beskytte det mot å danne stamløkker eller bli degradert av nukleaser .

Lambda-repressoren helix-turn-helix transkripsjonsfaktor bundet til sitt DNA-mål

I motsetning til dette har andre proteiner utviklet seg til å binde seg til bestemte DNA-sekvenser. De mest studerte av disse er de ulike transkripsjonsfaktorene , som er proteiner som regulerer transkripsjon. Hver transkripsjonsfaktor binder seg til ett bestemt sett med DNA-sekvenser og aktiverer eller hemmer transkripsjonen av gener som har disse sekvensene nær sine promotorer. Transkripsjonsfaktorene gjør dette på to måter. For det første kan de binde RNA-polymerasen som er ansvarlig for transkripsjon, enten direkte eller gjennom andre mediatorproteiner; dette lokaliserer polymerasen ved promoteren og lar den starte transkripsjon. Alternativt kan transkripsjonsfaktorer binde enzymer som modifiserer histonene ved promoteren. Dette endrer tilgjengeligheten av DNA-malen til polymerasen.

Siden disse DNA-målene kan forekomme i hele organismens genom, kan endringer i aktiviteten til én type transkripsjonsfaktor påvirke tusenvis av gener. Følgelig er disse proteinene ofte målene for signaltransduksjonsprosessene som kontrollerer responser på miljøendringer eller cellulær differensiering og utvikling. Spesifisiteten til disse transkripsjonsfaktorenes interaksjoner med DNA kommer fra at proteinene tar flere kontakter til kantene av DNA-basene, slik at de kan "lese" DNA-sekvensen. De fleste av disse base-interaksjonene er laget i hovedsporet, der basene er mest tilgjengelige.

Restriksjonsenzymet EcoRV (grønt) i et kompleks med substrat- DNA

DNA-modifiserende enzymer

Nukleaser og ligaser

Nukleaser er enzymer som kutter DNA-tråder ved å katalysere hydrolysen av fosfodiesterbindingene . Nukleaser som hydrolyserer nukleotider fra endene av DNA-tråder kalles eksonukleaser , mens endonukleaser kutter i tråder. De mest brukte nukleasene i molekylærbiologi er restriksjonsendonukleasene , som kutter DNA ved spesifikke sekvenser. For eksempel gjenkjenner EcoRV-enzymet vist til venstre 6-basesekvensen 5′-GATATC-3′ og gjør et kutt ved den horisontale linjen. I naturen beskytter disse enzymene bakterier mot faginfeksjon ved å fordøye fag-DNA når det kommer inn i bakteriecellen, og fungerer som en del av restriksjonsmodifikasjonssystemet . I teknologien brukes disse sekvensspesifikke nukleasene i molekylær kloning og DNA-fingeravtrykk .

Enzymer kalt DNA-ligaser kan gjenforenes med kuttede eller ødelagte DNA-tråder. Ligaser er spesielt viktige i etterslepende DNA-replikasjon, da de forbinder de korte segmentene av DNA som produseres ved replikasjonsgaffelen til en komplett kopi av DNA-malen. De brukes også i DNA-reparasjon og genetisk rekombinasjon .

Topoisomeraser og helikaser

Topoisomeraser er enzymer med både nuklease- og ligaseaktivitet. Disse proteinene endrer mengden av supercoiling i DNA. Noen av disse enzymene virker ved å kutte DNA-spiralen og la en seksjon rotere, og reduserer dermed nivået av supercoiling; enzymet forsegler deretter DNA-bruddet. Andre typer av disse enzymene er i stand til å kutte én DNA-spiral og deretter føre en andre DNA-tråd gjennom dette bruddet, før de går sammen med helixen igjen. Topoisomeraser er nødvendige for mange prosesser som involverer DNA, for eksempel DNA-replikasjon og transkripsjon.

Helikaser er proteiner som er en type molekylær motor . De bruker den kjemiske energien i nukleosidtrifosfater , hovedsakelig adenosintrifosfat (ATP), for å bryte hydrogenbindinger mellom baser og vikle ut DNA-dobbelspiralen til enkelttråder. Disse enzymene er essensielle for de fleste prosesser der enzymer trenger tilgang til DNA-basene.

Polymeraser

Polymeraser er enzymer som syntetiserer polynukleotidkjeder fra nukleosidtrifosfater . Sekvensen til produktene deres er laget basert på eksisterende polynukleotidkjeder - som kalles maler . Disse enzymene fungerer ved gjentatte ganger å legge til et nukleotid til 3′ hydroksylgruppen på slutten av den voksende polynukleotidkjeden. Som en konsekvens fungerer alle polymeraser i en 5′ til 3′ retning. På det aktive stedet til disse enzymene, parer det innkommende nukleosidtrifosfatet til malen: dette gjør at polymeraser nøyaktig kan syntetisere den komplementære tråden til malen deres. Polymeraser er klassifisert i henhold til typen mal de bruker.

Ved DNA-replikasjon lager DNA-avhengige DNA-polymeraser kopier av DNA-polynukleotidkjeder. For å bevare biologisk informasjon er det viktig at sekvensen av baser i hver kopi er nøyaktig komplementær til sekvensen av baser i malstrengen. Mange DNA-polymeraser har en korrekturlesende aktivitet. Her gjenkjenner polymerasen sporadiske feil i syntesereaksjonen ved mangelen på baseparing mellom de feiltilpassede nukleotidene. Hvis en mismatch oppdages, aktiveres en 3′ til 5′ eksonukleaseaktivitet og den feil basen fjernes . I de fleste organismer fungerer DNA-polymeraser i et stort kompleks kalt replisomet som inneholder flere tilleggsunderenheter, for eksempel DNA-klemmen eller helikaser .

RNA-avhengige DNA-polymeraser er en spesialisert klasse polymeraser som kopierer sekvensen til en RNA-streng inn i DNA. De inkluderer revers transkriptase , som er et viralt enzym involvert i infeksjon av celler med retrovirus , og telomerase , som er nødvendig for replikering av telomerer. For eksempel er HIV revers transkriptase et enzym for replikering av AIDS-virus. Telomerase er en uvanlig polymerase fordi den inneholder sin egen RNA-mal som en del av strukturen. Den syntetiserer telomerer i endene av kromosomene. Telomerer forhindrer sammensmelting av endene av nabokromosomer og beskytter kromosomender mot skade.

Transkripsjon utføres av en DNA-avhengig RNA-polymerase som kopierer sekvensen til en DNA-streng til RNA. For å begynne å transkribere et gen, binder RNA-polymerasen seg til en sekvens av DNA som kalles en promotor og skiller DNA-trådene. Den kopierer deretter gensekvensen inn i et messenger-RNA- transkript til den når en DNA-region som kalles terminatoren , hvor den stanser og løsner fra DNA. Som med humane DNA-avhengige DNA-polymeraser, fungerer RNA-polymerase II , enzymet som transkriberer de fleste genene i det menneskelige genomet, som en del av et stort proteinkompleks med flere regulatoriske og tilleggsunderenheter.

Genetisk rekombinasjon

Holliday Junction.svg
Feriekryss coloured.png
Struktur av Holliday-krysset mellomliggende i genetisk rekombinasjon . De fire separate DNA-trådene er farget rødt, blått, grønt og gult.
En nåværende modell for meiotisk rekombinasjon, initiert av et dobbeltstrengsbrudd eller gap, etterfulgt av sammenkobling med et homologt kromosom og trådinvasjon for å starte den rekombinasjonelle reparasjonsprosessen. Reparasjon av gapet kan føre til crossover (CO) eller ikke-crossover (NCO) av de flankerende områdene. CO-rekombinasjon antas å forekomme av Double Holliday Junction (DHJ)-modellen, illustrert til høyre ovenfor. NCO-rekombinanter antas å forekomme primært av Synthesis Dependent Strand Annealing (SDSA)-modellen, illustrert til venstre ovenfor. De fleste rekombinasjonshendelser ser ut til å være SDSA-typen.

En DNA-helix samhandler vanligvis ikke med andre DNA-segmenter, og i menneskelige celler okkuperer de forskjellige kromosomene til og med separate områder i kjernen kalt " kromosomterritorier ". Denne fysiske separasjonen av forskjellige kromosomer er viktig for DNAs evne til å fungere som et stabilt depot for informasjon, ettersom en av de få gangene kromosomer samhandler er i kromosomal kryssing som skjer under seksuell reproduksjon , når genetisk rekombinasjon skjer. Kromosomal crossover er når to DNA-helikser bryter, bytter en seksjon og deretter sammen igjen.

Rekombinasjon lar kromosomer utveksle genetisk informasjon og produserer nye kombinasjoner av gener, noe som øker effektiviteten av naturlig utvalg og kan være viktig i den raske utviklingen av nye proteiner. Genetisk rekombinasjon kan også være involvert i DNA-reparasjon, spesielt i cellens respons på dobbelttrådsbrudd.

Den vanligste formen for kromosomal crossover er homolog rekombinasjon , der de to involverte kromosomene deler veldig like sekvenser. Ikke-homolog rekombinasjon kan være skadelig for celler, da det kan produsere kromosomale translokasjoner og genetiske abnormiteter. Rekombinasjonsreaksjonen katalyseres av enzymer kjent som rekombinaser , slik som RAD51 . Det første trinnet i rekombinasjonen er et dobbelttrådet brudd forårsaket av enten en endonuklease eller skade på DNA. En serie trinn katalysert delvis av rekombinasen fører deretter til sammenføyning av de to spiralene ved minst ett Holliday-kryss , der et segment av en enkelt tråd i hver spiral er annealet til den komplementære strengen i den andre helixen. Holliday-krysset er en tetraedrisk kryssstruktur som kan flyttes langs kromosomparet, og bytte en tråd med en annen. Rekombinasjonsreaksjonen stanses deretter ved spaltning av krysset og re-ligering av det frigjorte DNA. Bare tråder med lik polaritet utveksler DNA under rekombinasjon. Det er to typer spalting: øst-vest spalting og nord–sør spalting. Nord-sør-spalten kutter begge DNA-trådene, mens øst-vest-spalten har en DNA-tråd intakt. Dannelsen av et Holliday-kryss under rekombinasjon gjør det mulig for genetisk mangfold, gener å utveksle på kromosomer og ekspresjon av villtype virale genomer.

Utvikling

DNA inneholder den genetiske informasjonen som gjør at alle former for liv kan fungere, vokse og formere seg. Det er imidlertid uklart hvor lenge i livets 4 milliarder år DNA har utført denne funksjonen, ettersom det har blitt foreslått at de tidligste livsformene kan ha brukt RNA som arvestoff. RNA kan ha fungert som den sentrale delen av tidlig cellemetabolisme da det både kan overføre genetisk informasjon og utføre katalyse som en del av ribozymer . Denne eldgamle RNA-verdenen hvor nukleinsyre ville blitt brukt til både katalyse og genetikk kan ha påvirket utviklingen av den nåværende genetiske koden basert på fire nukleotidbaser. Dette vil skje siden antallet forskjellige baser i en slik organisme er en avveining mellom et lite antall baser som øker replikasjonsnøyaktigheten og et stort antall baser som øker den katalytiske effektiviteten til ribozymer. Det er imidlertid ingen direkte bevis på eldgamle genetiske systemer, da gjenvinning av DNA fra de fleste fossiler er umulig fordi DNA overlever i miljøet i mindre enn én million år, og sakte brytes ned til korte fragmenter i løsning. Påstander om eldre DNA har blitt fremsatt, spesielt en rapport om isolering av en levedyktig bakterie fra en saltkrystall 250 millioner år gammel, men disse påstandene er kontroversielle.

Byggesteiner av DNA ( adenin , guanin og beslektede organiske molekyler ) kan ha blitt dannet utenomjordisk i verdensrommet . Komplekse DNA- og RNA- organiske forbindelser av livet , inkludert uracil , cytosin og tymin , har også blitt dannet i laboratoriet under forhold som etterligner de som finnes i verdensrommet , ved å bruke startkjemikalier, som pyrimidin , funnet i meteoritter . Pyrimidin, som polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH), det mest karbonrike kjemikaliet som finnes i universet , kan ha blitt dannet i røde kjemper eller i interstellare kosmiske støv- og gasskyer.

I februar 2021 rapporterte forskere for første gang om sekvensering av DNA fra dyrerester , en mammut i dette tilfellet over en million år gammel, det eldste DNA som er sekvensert til dags dato.

Bruker i teknologi

Genteknologi

Metoder er utviklet for å rense DNA fra organismer, for eksempel fenol-kloroform-ekstraksjon , og for å manipulere det i laboratoriet, for eksempel restriksjonsfordøyelser og polymerasekjedereaksjonen . Moderne biologi og biokjemi gjør intensiv bruk av disse teknikkene i rekombinant DNA-teknologi. Rekombinant DNA er en menneskeskapt DNA-sekvens som er satt sammen fra andre DNA-sekvenser. De kan transformeres til organismer i form av plasmider eller i passende format, ved å bruke en viral vektor . De genmodifiserte organismene som produseres kan brukes til å produsere produkter som rekombinante proteiner , brukes i medisinsk forskning , eller dyrkes i landbruket .

DNA-profilering

Rettsmedisinere kan bruke DNA i blod , sæd , hud , spytt eller hår funnet på et åsted for å identifisere et samsvarende DNA til en person, for eksempel en gjerningsmann. Denne prosessen kalles formelt DNA-profilering , også kalt DNA-fingeravtrykk . I DNA-profilering sammenlignes lengden av variable seksjoner av repeterende DNA, for eksempel korte tandem-repetisjoner og minisatellitter , mellom mennesker. Denne metoden er vanligvis en ekstremt pålitelig teknikk for å identifisere et matchende DNA. Identifikasjon kan imidlertid bli komplisert dersom åstedet er forurenset med DNA fra flere personer. DNA-profilering ble utviklet i 1984 av den britiske genetikeren Sir Alec Jeffreys , og ble først brukt i rettsmedisin for å dømme Colin Pitchfork i Enderby-mordsaken fra 1988 .

Utviklingen av rettsmedisinsk vitenskap og evnen til nå å få genetisk matching på små prøver av blod, hud, spytt eller hår har ført til å undersøke mange saker på nytt. Det kan nå avdekkes bevis som var vitenskapelig umulig på tidspunktet for den opprinnelige undersøkelsen. Kombinert med fjerning av dobbeltstraffeloven enkelte steder, kan dette tillate at saker gjenåpnes der tidligere rettssaker ikke har fremskaffet tilstrekkelig bevis til å overbevise en jury. Personer som er siktet for alvorlige forbrytelser kan bli pålagt å gi en DNA-prøve for matchingsformål. Det mest åpenbare forsvaret mot DNA-treff oppnådd rettsmedisinsk er å hevde at krysskontaminering av bevis har funnet sted. Dette har resultert i nitid strenge håndteringsprosedyrer med nye saker om alvorlig kriminalitet.

DNA-profilering brukes også med hell for å positivt identifisere ofre for masseulykkeshendelser, kropper eller kroppsdeler i alvorlige ulykker, og individuelle ofre i massekrigsgraver, via matching med familiemedlemmer.

DNA-profilering brukes også i DNA-farskapstesting for å avgjøre om noen er biologisk forelder eller besteforeldre til et barn, med sannsynligheten for at foreldrene er typiske 99,99 % når den påståtte forelderen er biologisk relatert til barnet. Normale DNA-sekvenseringsmetoder skjer etter fødselen, men det er nye metoder for å teste farskap mens en mor fortsatt er gravid.

DNA-enzymer eller katalytisk DNA

Deoksyribozymer , også kalt DNAzymer eller katalytisk DNA, ble først oppdaget i 1994. De er stort sett enkelttrådede DNA-sekvenser isolert fra en stor pool av tilfeldige DNA-sekvenser gjennom en kombinatorisk tilnærming kalt in vitro -seleksjon eller systematisk utvikling av ligander ved eksponentiell anrikning (SELEX) . DNAzymer katalyserer en rekke kjemiske reaksjoner, inkludert RNA-DNA-spalting, RNA-DNA-ligering, aminosyrer fosforylering-defosforylering, karbon-karbonbindingsdannelse, etc. DNAzymer kan øke den katalytiske hastigheten for kjemiske reaksjoner opptil 100 000 000 000 ganger i forhold til den ukatalytiske reaksjonen. Den mest omfattende studerte klassen av DNAzymer er RNA-spaltende typer som har blitt brukt til å oppdage forskjellige metallioner og utforme terapeutiske midler. Det er rapportert om flere metallspesifikke DNAzymer, inkludert GR-5 DNAzyme (blyspesifikk), CA1-3 DNAzyme (kobberspesifikke), 39E DNAzyme (uranylspesifikke) og NaA43 DNAzyme (natriumspesifikke). NaA43 DNAzyme, som er rapportert å være mer enn 10 000 ganger selektivt for natrium i forhold til andre metallioner, ble brukt til å lage en sanntidsnatriumsensor i celler.

Bioinformatikk

Bioinformatikk innebærer utvikling av teknikker for å lagre, dataminere , søke og manipulere biologiske data, inkludert DNA- nukleinsyresekvensdata . Disse har ført til mye anvendte fremskritt innen informatikk , spesielt strengsøkealgoritmer , maskinlæring og databaseteori . Strengesøkende eller matchende algoritmer, som finner en forekomst av en sekvens av bokstaver inne i en større sekvens av bokstaver, ble utviklet for å søke etter spesifikke sekvenser av nukleotider. DNA-sekvensen kan justeres med andre DNA-sekvenser for å identifisere homologe sekvenser og lokalisere de spesifikke mutasjonene som gjør dem distinkte. Disse teknikkene, spesielt multippelsekvensjustering , brukes til å studere fylogenetiske forhold og proteinfunksjon. Datasett som representerer hele genomets verdi av DNA-sekvenser, slik som de produsert av Human Genome Project , er vanskelige å bruke uten merknadene som identifiserer plasseringen av gener og regulatoriske elementer på hvert kromosom. Regioner med DNA-sekvenser som har de karakteristiske mønstrene assosiert med protein- eller RNA-kodende gener kan identifiseres ved hjelp av genfinnende algoritmer, som lar forskere forutsi tilstedeværelsen av bestemte genprodukter og deres mulige funksjoner i en organisme selv før de har blitt isolert eksperimentelt. Hele genomer kan også sammenlignes, noe som kan kaste lys over den evolusjonære historien til en bestemt organisme og tillate undersøkelse av komplekse evolusjonshendelser.

DNA nanoteknologi

DNA-strukturen til venstre (skjemaet vist) vil selv montere i strukturen visualisert ved atomkraftmikroskopi til høyre. DNA-nanoteknologi er feltet som søker å designe strukturer i nanoskala ved å bruke de molekylære gjenkjenningsegenskapene til DNA-molekyler.

DNA-nanoteknologi bruker de unike molekylære gjenkjennelsesegenskapene til DNA og andre nukleinsyrer for å lage selvmonterende forgrenede DNA-komplekser med nyttige egenskaper. DNA brukes altså som et strukturelt materiale snarere enn som en bærer av biologisk informasjon. Dette har ført til opprettelsen av todimensjonale periodiske gitter (både flisbaserte og ved bruk av DNA- origamimetoden) og tredimensjonale strukturer i form av polyedre . Nanomekaniske enheter og algoritmisk selvmontering har også blitt demonstrert, og disse DNA-strukturene har blitt brukt til å male arrangementet av andre molekyler som gullnanopartikler og streptavidinproteiner . DNA og andre nukleinsyrer er grunnlaget for aptamerer , syntetiske oligonukleotidligander for spesifikke målmolekyler som brukes i en rekke bioteknologiske og biomedisinske applikasjoner.

Historie og antropologi

Fordi DNA samler mutasjoner over tid, som deretter arves, inneholder det historisk informasjon, og ved å sammenligne DNA-sekvenser kan genetikere utlede den evolusjonære historien til organismer, deres fylogeni . Dette feltet av fylogenetikk er et kraftig verktøy innen evolusjonsbiologi . Hvis DNA-sekvenser innenfor en art sammenlignes, kan populasjonsgenetikere lære historien til bestemte populasjoner. Dette kan brukes i studier som spenner fra økologisk genetikk til antropologi .

Informasjonslagring

DNA som lagringsenhet for informasjon har et enormt potensial siden det har mye høyere lagringstetthet sammenlignet med elektroniske enheter. Høye kostnader, langsomme lese- og skrivetider ( minneforsinkelse ) og utilstrekkelig pålitelighet har imidlertid forhindret den praktiske bruken.

Historie

Maclyn McCarty (til venstre) håndhilser på Francis Crick og James Watson , medopphavsmenn til dobbelhelix-modellen basert på røntgendiffraksjonsdata og innsikter til Rosalind Franklin og Raymond Gosling.
Blyantskisse av DNA-dobbelthelixen av Francis Crick i 1953

DNA ble først isolert av den sveitsiske legen Friedrich Miescher som i 1869 oppdaget et mikroskopisk stoff i puss på kasserte kirurgiske bandasjer. Siden det bodde i cellekjernene, kalte han det "nuklein". I 1878 isolerte Albrecht Kossel ikke-proteinkomponenten til "nuklein", nukleinsyre, og isolerte senere dens fem primære nukleobaser .

I 1909 identifiserte Phoebus Levene base-, sukker- og fosfatnukleotidenheten til RNA (den gang kalt "gjærnukleinsyre"). I 1929 identifiserte Levene deoksyribosesukker i "tymusnukleinsyre" (DNA). Levene foreslo at DNA besto av en streng med fire nukleotidenheter koblet sammen gjennom fosfatgruppene ("tetranukleotidhypotese"). Levene mente kjedet var kort og basene gjentatt i fast rekkefølge. I 1927 foreslo Nikolai Koltsov at arvede egenskaper ville bli arvet via et "gigantisk arvelig molekyl" bestående av "to speilstrenger som ville replikere på en semi-konservativ måte ved å bruke hver tråd som mal". I 1928 oppdaget Frederick Griffith i sitt eksperiment at trekk ved den "glatte" formen av Pneumococcus kunne overføres til den "grove" formen av de samme bakteriene ved å blande drepte "glatte" bakterier med den levende "røffe" formen. Dette systemet ga det første klare antydningen om at DNA bærer genetisk informasjon.

I 1933, mens han studerte jomfruelige kråkebolleegg , foreslo Jean Brachet at DNA finnes i cellekjernen og at RNA utelukkende er tilstede i cytoplasmaet . På den tiden ble "gjærnukleinsyre" (RNA) antatt å forekomme bare i planter, mens "thymusnukleinsyre" (DNA) bare i dyr. Sistnevnte ble antatt å være en tetramer, med funksjonen å bufre cellulær pH.

I 1937 produserte William Astbury de første røntgendiffraksjonsmønstrene som viste at DNA hadde en regulær struktur.

I 1943 identifiserte Oswald Avery , sammen med medarbeidere Colin MacLeod og Maclyn McCarty , DNA som transformasjonsprinsippet , og støttet Griffiths forslag ( Avery–MacLeod–McCarty-eksperiment ). Erwin Chargaff utviklet og publiserte observasjoner som nå er kjent som Chargaffs regler , og sier at i DNA fra alle arter av enhver organisme bør mengden guanin være lik cytosin og mengden adenin skal være lik tymin . Sent i 1951 begynte Francis Crick å jobbe med James Watson ved Cavendish Laboratory ved University of Cambridge . DNAs rolle i arvelighet ble bekreftet i 1952 da Alfred Hershey og Martha Chase i Hershey–Chase-eksperimentet viste at DNA er det genetiske materialet til enterobakteriefagen T2 .

En blå plakett utenfor The Eagle pub til minne om Crick og Watson

I mai 1952 tok Raymond Gosling , en doktorgradsstudent som jobbet under veiledning av Rosalind Franklin , et røntgendiffraksjonsbilde , merket som " Foto 51 ", ved høye hydreringsnivåer av DNA. Dette bildet ble gitt til Watson og Crick av Maurice Wilkins og var avgjørende for at de skulle få riktig DNA-struktur. Franklin fortalte Crick og Watson at ryggraden måtte være på utsiden. Før da hadde Linus Pauling, og Watson og Crick, feilaktige modeller med kjedene inni og basene pekende utover. Franklins identifikasjon av romgruppen for DNA-krystaller avslørte for Crick at de to DNA-trådene var antiparallelle . I februar 1953 foreslo Linus Pauling og Robert Corey en modell for nukleinsyrer som inneholder tre sammenvevde kjeder, med fosfatene nær aksen, og basene på utsiden. Watson og Crick fullførte sin modell, som nå er akseptert som den første riktige modellen av den doble helixen av DNA . Den 28. februar 1953 avbrøt Crick lånetakernes lunsjtid på The Eagle pub i Cambridge for å kunngjøre at han og Watson hadde "oppdaget livets hemmelighet".

25. april 1953-utgaven av tidsskriftet Nature publiserte en serie på fem artikler som ga Watson og Crick-dobbelhelixstrukturen DNA og bevis som støtter det. Strukturen ble rapportert i et brev med tittelen " MOLECULAR STRUCTURE OF NUCLEIC ACIDS A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid " , der de sa: "Det har ikke unngått vår oppmerksomhet at den spesifikke sammenkoblingen vi har postulert umiddelbart antyder en mulig kopieringsmekanisme for det genetiske materiale." Dette brevet ble fulgt av et brev fra Franklin og Gosling, som var den første publikasjonen av deres egne røntgendiffraksjonsdata og deres opprinnelige analysemetode. Deretter fulgte et brev fra Wilkins og to av hans kolleger, som inneholdt en analyse av in vivo B-DNA røntgenmønstre, og som støttet tilstedeværelsen in vivo av Watson og Crick-strukturen.

I 1962, etter Franklins død, mottok Watson, Crick og Wilkins i fellesskap Nobelprisen i fysiologi eller medisin . Nobelprisene deles ut kun til levende mottakere. En debatt fortsetter om hvem som skal få æren for funnet.

I en innflytelsesrik presentasjon i 1957 la Crick frem det sentrale dogmet innen molekylærbiologi , som forutsa forholdet mellom DNA, RNA og proteiner, og artikulerte "adapterhypotesen". Endelig bekreftelse av replikasjonsmekanismen som ble antydet av den dobbeltspiralformede strukturen fulgt i 1958 gjennom Meselson-Stahl-eksperimentet . Ytterligere arbeid av Crick og medarbeidere viste at den genetiske koden var basert på ikke-overlappende trillinger av baser, kalt kodoner , slik at Har Gobind Khorana , Robert W. Holley og Marshall Warren Nirenberg kunne dechiffrere den genetiske koden. Disse funnene representerer molekylærbiologiens fødsel .

Se også

  • Autosom  - Ethvert kromosom annet enn et kjønnskromosom
  • Krystallografi  – Vitenskapelig studie av krystallstrukturer
  • DNA-dagen  – høytiden feires 25. april
  • DNA-mikroarray  – Samling av mikroskopiske DNA-flekker festet til en fast overflate
  • DNA-sekvensering  – Prosess for å bestemme nukleinsyresekvensen
  • Genetisk lidelse  – Helseproblem forårsaket av en eller flere avvik i genomet
  • Genetisk slektsforskning  - DNA-testing for å utlede forhold
  • Haplotype  - Gruppe av gener fra en forelder
  • Meiose  - Type celledeling i seksuelt reproduserende organismer som brukes til å produsere kjønnsceller
  • Nukleinsyrenotasjon  - Universell notasjon som bruker de romerske tegnene A, C, G og T for å kalle de fire DNA-nukleotidene
  • Nukleinsyresekvens  - rekkefølge av nukleotider i en nukleinsyre
  • Ribosomalt DNA  - spesifikk region av DNA som koder for ribosomalt RNA
  • Southern blot  – DNA-analyseteknikk
  • Røntgenspredningsteknikker  - en familie av ikke-destruktive analytiske teknikker
  • Xenonukleinsyre  – gruppe av forbindelser

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker

Hør denne artikkelen ( 34 minutter )
Talt Wikipedia-ikon
Denne lydfilen ble opprettet fra en revisjon av denne artikkelen datert 12. februar 2007 , og gjenspeiler ikke senere redigeringer. ( 2007-02-12 )