Д

Дезоксирибонуклеиновая кислота

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках — долговременное хранение информации о структуре РНК и белков.

Общее описание

В клетках эукариот (например, животных, растений или грибов) ДНК содержится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органеллах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариот (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, содержится в цитоплазме и прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например дрожжей) встречаются также небольшие автономные кольцевые молекулы ДНК, так называемые плазмиды. Кроме того, одно или дволанцюгови молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.

С химической точки зрения, ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из последовательности блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы (или гомологичной арсеноиднои). Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы. В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечной ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепочек, ориентированных азотистыми основаниями друг против друга. Эта двухцепочечная молекула образует спираль. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин) (исключение составляют случаи поздних модификаций нуклеотидов, например метилирования). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, важнейшими из которых являются или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК (то есть за счет копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, которая синтезируется) в процессе транскрипции и принимают участие в биосинтезе белков (процессе сплайсинга и трансляции). Кроме кодивних последовательностей, ДНК клетки содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции. Участки кодивнои последовательности вместе с регуляторными участками называются генами.

В геномах эукариот содержатся также длинные последовательности без очевидной функции (некодивни последовательности, интроны). Также в составе генома достаточно распространены генетические паразиты — транспозонов и вирусные или похожие на них последовательности.

Расшифровка структуры ДНК (выполнена в 1953 году) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Ватсону и Морис Уилкинс была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 года.

История исследования

ДНК была открыта Иоганном Фридрихом Мишером в 1869 году. Сначала новое вещество получило название нуклеиновые, а позже, когда Мишер определил, что это вещество обладает кислотными свойствами, вещество получило название нуклеиновая кислота. Биологическая функция новооткрытой вещества была неясна, и долгое время ДНК считалась запасником фосфора в организме. Более того, даже в начале 20 века многие биологи считали, что ДНК не имеет никакого отношения к передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, была очень однообразной и не могло содержать закодированную информацию.

Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось ранее, является носителем генетической информации. Одними из первых решающих доказательств стали эксперименты О.Эвери, Колина Мак-Леода и Маклин Маккарти (1944 год) по трансформации бактерий. Им удалось показать, что за так называемую трансформацию (приобретение болезнетворных свойств безвредной культурой в результате добавления к ней мертвых болезнетворных бактерий) соответствует выделена из пневмококков ДНК. Эксперимент американских ученых Альфреда Херши и Марты Чейз (1952 год) с мечеными радиоактивными изотопами белками и ДНК бактериофагов показали, что в зараженную клетку передается только нуклеиновая кислота фага, а новое поколение фага содержит такие же белки и нуклеиновую кислоту, как исходный фаг.

До 50-х годов 20 века точное строение ДНК, как и способ передачи наследственной информации, оставалась неизвестной. Хоть и было доподлинно известно, что ДНК состоит из нескольких цепочек, в свою очередь состоят из нуклеотидов, никто не знал точно, сколько этих цепочек и как они соединены.

Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основе рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, и «правил Чаргаффа», согласно которым в каждой молекуле ДНК соблюдаются строгие соотношения, связывающие между собой количество азотистых оснований разных типов. Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии и медицине 1962 года. Среди получателей не было Розалинды Франклин, которая умерла в то время, поскольку премия не присуждается посмертно.

В известном докладе 1957 года Крик очертил основы так называемой «Центральной догмы» молекулярной биологии, которая предусматривает взаимоотношения между ДНК, РНК и белками, и сформулировал «адаптерним гипотезу». Окончательное подтверждение механизма копирования, предложенного на основе спиральной структуры, было получено в 1958 году с помощью эксперимента Мезельсоном-Сталя. Дальнейшие работы Крика и его лаборатории показали, что генетический код основывается на тройках оснований, не перекрываются, кодонов, что позже позволило Гари Ґобинду Хоран, Роберту Холли и Маршаллу Ниренбергу расшифровать генетический код. Эти открытия обозначают начало молекулярной биологии.

  • Розалинда Франклин

  • Морис Уилкинс

  • Фрэнсис Крик

  • Джеймс Ватсон

Структура молекулы

Нуклеотиды

Дезоксирибонуклеиновая кислота является биополимеров (полианионом), мономерами которого являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, присоединенного по 5′-положению к сахару дезоксирибозы, в который через гликозидная связь (C-N) по 1′-положению присоединена одна из четырех азотистых оснований. Именно наличие характерного сахара и составляет одну из главных различий между ДНК и РНК, зафиксированную в названиях этих нуклеиновых кислот (в состав РНК входит сахар рибоза). Пример нуклеотида — аденозинмонофосфат — где основа, присоединена к фосфата и рибозы, это аденин, показан на рисунке.

Исходя из структуры молекул, основания, входящие в состав нуклеотидов, разделяют на две группы: пуриновые (аденин [A] и гуанин [G]), образованные соединенными пяти- и шестичленным гетероциклами и пиримидиновые (цитозин [C] и тимин [ T]) — образованные одним шестичленным гетероциклом.

Как исключение, например, в бактериофага PBS1, в ДНК встречается пятый тип оснований — урацил (U), пиримидиновое основание, обычно входит в состав РНК вместо тимина и отличается от тимина отсутствием метильной группы на кольце. Следует отметить, что тимин и урацил не так строго приурочены к ДНК и РНК соответственно, как это считалось ранее. Так, после синтеза некоторых молекул РНК значительное число урацил в этих молекулах метилюется с помощью специальных ферментов, превращаясь в тимин. Это происходит в транспортных и рибосомных РНК.

Двойная спираль

Полимер ДНК имеет достаточно сложную структуру. Нуклеотиды ковалентно соединены между собой в длинные полинуклеотидные цепочки. Эти цепочки в подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, имеющих одноцепочечными ДНК-геном), в свою очередь, попарно объединяются с помощью водородных связей в структуру, получившую название двойной спирали. Фосфатные группы формируют фосфодиестерни связи между третьим и пятым атомами углерода соседних молекул дезоксирибозы, в результате взаимодействия между 3-гидроксильной (3 ОН) группой одной молекулы дезоксирибозы и 5-фосфатной группой (5 ро 3) другой. Асимметричные конце цепочки ДНК называются 3 ‘(три-прайм) и 5 ​​»(пять-прайм). Полярность цепочки играет важную роль при синтезе ДНК (удлинение цепочки возможно только путем присоединения новых нуклеотидов к свободному 3 ‘концу).

Как уже было сказано выше, у подавляющего большинства живых организмов ДНК состоит не из одного, а из двух полинуклеотидных цепочек. Эти два длинные цепочки закручены одна вокруг другой в виде двойной спирали, стабилизируется водородными связями, которые образуются между возвращенными друг к другу азотистыми основаниями цепочек, входящих в нее. В природе эта спираль, как правило, правозакручена. Направления от 3 ‘конца к 5’ конца в двух цепочках, из которых состоит молекула ДНК, противоположные (цепочки «антипараллельны» друг другу).

Ширина двойной спирали в ее распространенной B-форме составляет от 22 до 24 Å, или 2,2 — 2,4 нм, а длина каждого нуклеотида 3,3 Å (0,33 нм). Длина всей молекулы зависит от вида организма и может составлять от десятков микрон в некоторых вирусов до нескольких метров (в одной хромосоме) у некоторых растений. Подобно тому, как в винтовой лестнице сбоку можно увидеть ступеньки, на двойной спирали ДНК в промежутках между фосфатным остовом молекулы можно видеть ребра оснований, кольца которых расположены в плоскости, перпендикулярной продольной оси макромолекулы.

В двойной спирали различают малую (12 Å) и большую (22 Å) бороздки. Белки, например, факторы транскрипции, которые присоединяются к определенным последовательностей в двухцепочечной ДНК, обычно взаимодействуют с краями оснований в большой бороздке, где они доступны.

Образование связей между основаниями

Каждое основание на одной из цепей связывается с одной определенной основой на другом цепочке. Такое специфическое связывание называется комплементарным. Пуриновые основания комплементарные пиримидиновых (то есть, способны к образованию водородных связей с ними): аденин образует связи только с тимином, а цитозин — с гуанином. В двойной спирали цепочки также связаны с помощью гидрофобного взаимодействия и стэкинг, не зависят от последовательности оснований ДНК.

Комплиментарность двойной спирали означает, что информация, содержащаяся в одной цепочке, содержится и в другом цепочке. Оборачиваемость и специфичность взаимодействий между комплементарными парами оснований важна для репликации ДНК и всех остальных функций ДНК в живых организмах.

Поскольку водородные связи Нековалентные, они легко разрываются и восстанавливаются. Цепочки двойной спирали могут расходиться как замок-змейка под действием ферментов (геликазы) или при высокой температуре.

Различные пары оснований образуют разное количество водородных связей. AT связанные двумя, GC — тремя водородными связями, поэтому на разрыв GC требуется больше энергии. Процент GC пар и длина молекулы ДНК определяют количество энергии, необходимой для диссоциации цепочек: длинные молекулы ДНК с большим содержанием GC более «тугоплавкие».

Альтернативные формы двойной спирали

ДНК может существовать в нескольких возможных конформациях. В настоящее время идентифицировано и описана: A-ДНК, B-ДНК, C-ДНК, D-ДНК, E-ДНК, H-ДНК, L-ДНК, P-ДНК и Z-ДНК. Однако, только A-, B- и Z- формы ДНК наблюдались в природных биологических системах. Конформация, которую принимает ДНК, зависит от последовательности ДНК, величины и направления суперскрученности, химических модификации оснований и концентрации химических веществ в растворе, прежде всего концентраций ионов металлов и полиаминов. Из всех конформации, B-форма, описанная выше, является самой общей форме при условии, что свойственны большинству клеток. Альтернативные конформации двойной спирали отличаются своей геомертиею и размерами.

A-форма — шире правосторонняя спираль, с мелкой и широкой малой бороздкой и узкой и глубокой большой бороздкой. Эта форма встречается по нефизиологического условиями в обезвоженных образцах ДНК, кроме того она, вероятно, встречается в живых клетках в гибридных комплексах цепочек ДНК и РНК, и в комплексах ферментной ДНК. Сегменты ДНК из химически измененными (метилированных) основами могут проходить через большие конформационные изменения и принимают Z-форму. Здесь, цепочки закручаються в левую двойную спираль, в отличие от правой спирали B-формы. Эти структуры могут распознаваться специфическими Z-ДНК связывающими белками и могут быть привлечены к регуляции транскрипции.

Суперскрученисть

Если взяться за концы веревки и начать скручивать их в разные стороны, она становится короче и на веревке образуются большие «супервитки». Также может быть суперскручена и ДНК. В обычном состоянии цепочка ДНК делает один оборот на каждые 10,4 оснований, но в суперскрученому состоянии спираль может быть свернута туже или расплетенная. Выделяют два типа суперскрученности: положительную — в направлении нормальных витков, при котором основания расположены ближе друг к другу; и отрицательную — в противоположном направлении. В природе молекулы ДНК обычно находятся в состоянии негативной суперскрученности, который вносится ферментами, — топоизомеразами. Эти ферменты изымают дополнительную скрученисть, что возникает в ДНК в результате транскрипции и репликации.

Структуры на концах хромосом

На концах линейных хромосом специализированные структуры ДНК, называемые теломерами. Основная функция этих участков — поддержание целостности концов хромосом. Поскольку обычная ДНК-полимераза не может реплицировать 3 ‘концы хромосом, специальный фермент — теломераза — после каждого деления клетки добавляет к хромосом повторяющиеся участки ДНК, теломеры.

Теломеры также защищают конце ДНК от деградации экзонуклеаза и предотвращают активации систем репарации, которые запускаются в ответ на разрывы ДНК.

В клетках человека теломеры обычно представлены одноцепочечной ДНК и состоят из нескольких тысяч единиц последовательности TTAGGG повторяющихся. Эти последовательности с высоким содержанием гуанина стабилизируют концы хромосом, формируя очень необычные структуры, называемые G-Квадруплексы и состоящих из четырех, а не двух взаимодействующих оснований. Четыре гуанинових основы, все атомы которых находятся в одной плоскости, образуют пластинку, стабилизированную водородными связями между основаниями и хелатированных в центре ионом металла (чаще всего калия). Эти пластинки состоят стопкой одна над другой.

На концах хромосом могут образовываться и другие структуры: основы могут быть расположены в одной цепочке или в разных параллельных цепочках. Кроме этих структур «стопок», теломеры формируют большие петлеобразное структуры, называемые Т-петли или теломерные петли. В них одноцепочечная ДНК располагается в виде широкого кольца, стабилизированного теломерные белками. В конце Т-петли одноцепочечная теломерные ДНК присоединяется к двухцепочечной ДНК, нарушая спаривание цепочек в этой молекуле и образуя связи с одним из цепочек. Это триланцюжкове образования называется D-петлей (от англ. Displacement loop).

Химические модификации

Метилирование ДНК

При определенных условиях основы ДНК подвергаются химическим модификациям, которые могут быть унаследованы без замены последовательности ДНК, и, таким образом, является частью эпигенетического кода. Самым распространенным и лучше описанным механизмом химических модификаций является метилирование оснований ДНК, цитозина у эукариот и цитозина и аденина у бактерий.

Метилирование ДНК обнаружено во всех клетках эукариот, однако средний уровень метилирования отличается у разных организмов, так в нематоды Caenorhabditis elegans метилирования цитозина почти не наблюдается, а у позвоночных обнаружен высокий уровень метилирования — до 1%. Известно, что уровень метилирования цитозина влияет на экспрессию генов: участки гетерохроматина (характеризующихся отсутствием или низким уровнем транскрипции) коррелируют с уровнем метилирования. Например, метилирования цитозина с образованием 5-метилцитозину важно для инактивации Х-хромосомы ;;. Несмотря на биологическую роль, 5-метилцитозин может спонтанно дезаминуватися, превращаясь в тимин, поэтому метилированный цитозин является источником повышенного числа мутаций.

Кроме контроля экспрессии генов и, в результате, контроля клеточного цикла, бактерии используют метилирования аденина и цитозина для защиты против патогенов в составе Рестрикционная-модификационной системы.

Другим хорошо описанным типом модификаций основ является гликозилирование урацила с образованием «J-основы» в кинетопластиды.

Повреждение ДНК

ДНК может повреждаться различными мутагенами, к которым относятся окисляющие и алкилирующие вещества, а также высокоэнергетическая электромагнитная радиация — ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Тип повреждения ДНК зависит от типа мутагена. Например, ультрафиолет повреждает ДНК путем появления в ней димеров тимина, которые образуются при формировании ковалентных связей между соседними основаниями.

Активные формы кислорода, например «свободные» радикалы или перекись водорода приводят к нескольким типам повреждения ДНК, включая модификации оснований, особенно гуанозина, а также двухцепочечной разрывы в ДНК. По некоторым оценкам в каждой клетке человека около 500 основ повреждаются окисляющими соединениями ежедневно. Среди различных типов повреждений опасные — двухцепочечной разрывы, потому что они трудно репаруються и могут привести к потерям участков хромосом (делеций) и транслокаций.

Многие молекул мутагенов вставляются (интеркалюються) между двумя соседними парами оснований. Большинство этих соединений, например, бромистый этидия, дауномицин, доксорубицин и талидомид, имеют ароматическую структуру. Для того, чтобы ароматическая соединение могла поместиться между основаниями, они должны разойтись, расплетая и нарушая структуру двойной спирали. Эти изменения в структуре ДНК мешают транскрипции и репликации, вызывая мутации. Поэтому интеркалюючи вещества часто являются канцерогенами, самые известные из которых — бензопирен, акридина, афлатоксины и бромистый этидия. Несмотря на эти негативные свойства, в силу своей способности подавлять транскрипцию и репликацию ДНК, некоторые вещества, интеркалюють к ДНК, используемые в химиотерапии для подавления быстрого роста раковых клеток.

Биологическая роль ДНК

ДНК является носителем генетической информации, записанной в виде нуклеотидной последовательности с помощью генетического кода. С молекулами ДНК связаны два основополагающих свойства живых организмов — наследственность и изменчивость. В ходе процесса, называемого репликацией ДНК, образуются две копии исходной цепочки, наследуемые дочерними клетками при делении. Клетки, образовавшиеся таким образом, будут генетически идентичными. Генетическая информация, необходимая для жизнедеятельности клетки, считывается при экспрессии генов. В большинстве случаев она используется для биосинтеза белков в процессах транскрипции (синтеза молекул РНК на матрице ДНК) и трансляции (синтеза белков на матрице РНК).

Последовательность нуклеотидов «кодирует» информацию о различных типах РНК: кодивни — матричные или информационные (мРНК) — и некодивни — рибосомальные (рРНК), транспортные (тРНК), каталитические и другие. Все эти типы РНК синтезируются на основе ДНК в процессе транскрипции. Их роль в биосинтезе белков и других процессах жизнедеятельности клетки разная. Матричная РНК содержит информацию о последовательности аминокислот в белке, рибосомальные РНК служат основой для рибосом (сложных нуклеопротеинових комплексов, основная функция которых — сборник белка из отдельных аминокислот на основе мРНК), транспортные РНК доставляют аминокислоты к месту сборки белков — в активный центр рибосомы, движется по мРНК.

Структура генома

ДНК большинства природных геномов имеет двухцепочечной структуру — или линейную (у эукариот, некоторых вирусов и отдельных видов бактерий), или кольцевую (в большинстве бактерий и архей, хлоропластов и митохондрий). Линейную одноцепочечную ДНК содержат некоторые вирусы, в том числе бактериофаги.

В клетках эукариот ДНК располагается главным образом в ядре в виде набора хромосом. ДНК бактерий и архей обычно представлена ​​одной кольцевой молекулой ДНК, расположенной в цитоплазме в виде образования неправильной формы, называется нуклеоидом.

Генетическая информация генома состоит из генов. Ген — единица передачи наследственной информации, имеет вид непрерывного участка ДНК и влияет на определенную характеристику организма. Ген содержит открытую рамку считывания, которая транскрибуется, а также регуляторные последовательности, например, промоторы и энхансеры, которые контролируют экспрессию открытых рамок считывания.

Во многих организмах только малая часть общей последовательности генома кодирует белки. Так только около 1,5% генома человека состоит экзонов, кодирующих белок, а более 50% ДНК состоит из повторяющихся некодивних последовательностей ДНК. Причины существования такого большого количества некодивнои ДНК в эукариотических геномах и огромная разница в размерах геномов (C-значение) — одна из нерешенных научных загадок.

Последовательности генома, не кодирующие белок

Традиционно некодивни последовательности ДНК, за исключением промоторов, непосредственно предшествующие открытым рамкам считывания, рассматривались как «мусорная ДНК» (англ. Junk DNA). Однако теперь накапливается все больше данных, противоречат этой идее, и свидетельствуют о различных полезные функции этих последовательностей. Теломеры и центромеры содержат малое число генов, но они важны для функционирования и стабильности хромосом. Распространенная форма некодивних последовательностей человека — псевдогены, копии генов, инактивированные в результате мутаций. Эти последовательности является чем-то вроде молекулярных окаменелостей, хотя иногда они могут служить исходным материалом для дупликации и последующей дивергенции генов.

Другой тип некодивнои ДНК, однако транскрибируется в РНК — интроны. Интроны также является источником разнообразия белков в организме, потому что могут использоваться как «линии разреза и склеивания» при альтернативном сплайсинга. Наконец, последовательности, не кодирующие белок ДНК, могут кодировать вспомогательные клеточные РНК, например малые ядерные РНК. Недавнее исследование транскрипции генома человека показало, что 10% генома дает начало полиаденильованим РНК, а исследования генома мыши показало, что 62% его транскрибируется.

Транскрипция и трансляция

Генетическая информация, закодированная в ДНК, должна быть прочитана и в конечном итоге выражена в синтезе различных биополимеров, из которых состоят клетки. Последовательность оснований в цепочке ДНК напрямую определяет последовательность оснований в РНК, на которую она «переписывается» в процессе, называемом транскрипцией. В случае мРНК эта последовательность определяет аминокислоты белка. Соотношение между нуклеотидной последовательностью мРНК и аминокислотной последовательностью определяется правилами трансляции, которые называются генетическим кодом. Генетический код состоит из кодонов, тринуклеотидних последовательностей (например АСТ, CAG, ТТТ и т.д.), непосредственно следуют одна за другой.

Во время транскрипции нуклеотиды гена копируются на РНК, синтезируется РНК-полимеразы. Эта копия в случае мРНК декодируется рибосомой, которая «считывает» последовательность мРНК, осуществляя спаривание матричной РНК с транспортных РНК, комплексов РНК и аминокислот в процессе трансляции. Поскольку в тринуклеотидних комбинациях используются 4 основания, всего возможны 64 кодона (4 марта комбинации). Кодоны кодируют 20 стандартных аминокислот, каждой из которых в большинстве случаев соответствует более чем один кодон. Один из трех кодонов, которые располагаются в конце мРНК, не означает аминокислоту и определяет конец белка, это «стоп» или «нонсенс» кодоны (в большинстве организмов TAA, TGA, TAG).

Репликация

Деление клетки необходим для размножения одноклеточных и роста многоклеточных организмов, но к делению клетка должна удвоить геном, чтобы дочерние клетки содержали ту же генетическую информацию, что и исходная клетка. ДНК удваивается в процессе репликации, протекает по полуконсервативным механизмом Две цепочки разделяются, и затем каждая комплементарная последовательность ДНК воспроизводится ферментом ДНК-полимераза. Этот фермент строит полинуклеотидную цепочку, находя правильное основание через комплементарное спаривание оснований и присоединяя его к растущей цепочке. ДНК-полимераза, осуществляющий большую часть синтеза (Pol III прокариот или Pol δ эукариот) не может начать синтез новой цепочки, а только наращивает уже существующий, поэтому она требует наличия праймеров, участков ДНК, синтезированных с помощью специальной РНК-полимеразы праймазы. Поскольку ДНК-полимеразы могут строить цепочку только в направлении 5 ‘→ 3’, для копирования антипараллельных цепочек используются сложные механизмы с привлечением большого количества белков.

Взаимодействие с белками

Все функции ДНК зависят от ее взаимодействия с белками. Взаимодействия могут быть как неспецифическими, когда белок присоединяется к любой молекулы ДНК, или зависеть от наличия особой последовательности. Ферменты также могут взаимодействовать с ДНК. Важнейшие из них — полимеразы, копируют последовательность оснований ДНК на РНК в процессе транскрипции, а также на новую ДНК при синтезе нового цепочки — репликации.

Структурные и регуляторные белки

Хорошо изученными примерами взаимодействия белков и ДНК, независимой от нуклеотидной последовательности, является взаимодействие со структурными белками. В клетках ДНК связана с этими белками, образуя компактную структуру — хроматин. В случае эукариот и многих архей хроматин образуется с помощью небольших щелочных белков — гистонов. В остальных архей и бактерий ДНК менее плотно упакована с помощью ряда других белков, хотя среди них и найдены гомологичные гистонов белки. Гистоны формируют дискообразные белковые структуры — нуклеосомы, вокруг каждой из которых вмещается два оборота спирали ДНК. Неспецифические связи между гистонами и ДНК образуются за счет ионных связей щелочных аминокислот гистонов и кислотных остатков цукрофосфатного остова ДНК. Химические модификации этих аминокислот включают метилирование, фосфорилирование и ацетилирование. Эти химические модификации изменяют силу взаимодействия между ДНК и гистонами, влияя на доступность специфических последовательностей для факторов транскрипции и изменяя скорость транскрипции.Другие белки в составе хроматина, которые присоединяются к неспецифическим последовательностям — белки с высокой подвижностью в гелях, которые ассоциируют большей частью с согнутой ДНК. Эти белки важны для образования в хроматине структур более высокого порядка.

Особая группа белков, присоединяются к ДНК, — белки, которые ассоциируют с одноцепочечной ДНК. Лучше охарактеризован белок этой группы у человека — репликационный белок А, без которого невозможно протекание большинства процессов, где расплетается двойная спираль, включая репликацию, рекомбинацию и репарацию ДНК. Белки этой группы стабилизируют одноцепочечную ДНК и предотвращают формирование стеблей-петель или деградации ДНК нуклеазами.

В то же время другие белки распознают специфические последовательности и присоединяются к ним. Наиболее изучена группа таких белков — различные классы факторов транскрипции, то есть белки, регулирующие транскрипцию. Каждый из этих белков розпознае свою последовательность, часто в промоторе, и активирует или подавляет транскрипцию гена. Это происходит при ассоциации факторов транскрипции с РНК-полимеразы либо непосредственно, либо через белки-посредники. Полимераза ассоциирует сначала с белками, а потом начинает транскрипцию. В других случаях факторы транскрипции могут присоединяться к ферментам, которые модифицируют гистоны, находящихся на промоторах, и, таким образом, изменяют доступность ДНК для полимераз.

Поскольку специфические последовательности встречаются во многих местах генома, изменения в активности одного типа факторов транскрипции могут изменить активность тысяч генов. Соответственно, эти белки часто регулируются в процессах ответа на изменения в окружающей среде, развития организма и дифференциацию клеток. Специфичность взаимодействия факторов транскрипции с ДНК обеспечивается многочисленными контактами между аминокислотами и основаниями ДНК, что позволяет им «читать» последовательность ДНК. Большинство контактов с основами происходят в главной бороздке, где основания доступны.

Ферменты, модифицирующие ДНК

Топоизомеразы и геликазы

В клетке ДНК находится в суперскрученому состоянии, что позволяет ей достичь более компактной организации. Для протекания многих процессов жизнедеятельности ДНК должна быть раскручена, что выполняется двумя группами белков — топоизомеразами и геликазы.

Топоизомеразы — ферменты, которые имеют как нуклеазного, так и лигазную активности. Эти белки меняют топологию, в частности степень суперскрученности ДНК. Некоторые из этих ферментов разрезают двойную спираль ДНК и позволяют вращаться одной из цепей, тем самым уменьшая уровень суперскрученности, после чего фермент заклеивает разрыв. Другие ферменты могут разрезать одну из цепей и проводить вторую цепь через разрыв, а потом лигировать разрыв в первой цепи. Топоизомеразы необходимы во многих процессах, связанных с ДНК, таких как репликация и транкрипция.

Геликазы — белки, относящиеся к молекулярных моторов. Они используют химическую энергию нуклеозидтрифосфатов, чаще всего АТФ, для разрыва водородных связей между основаниями, раскручивая двойную спираль на отдельные цепочки. Эти ферменты важны для большинства процессов, где белкам необходим доступ к основам ДНК.

Нуклеазы и лигазы

В различных процессах, происходящих в клетке, например, рекомбинации и репарации участвуют ферменты, способные разрезать и восстанавливать целостность цепочек ДНК. Ферменты, разрезают ДНК, носят название нуклеаз. Нуклеазы, которые гидролизуют нуклеотиды на концах молекулы ДНК, называются экзонуклеаза, а нуклеазы, разрезанные ДНК внутри цепи — эндонуклеазы. Нуклеазы, что чаще всего используются в молекулярной биологии и генной инженерии входят в класс рестриктаз, которые разрезают ДНК у специфических последовательностей. Например, фермент EcoRV (рестрикционный фермент № 5 бактерии E. coli) распознает шестинуклеотидну последовательность 5′-GAT ATC-3 ‘и разрезает ДНК в месте, указанном вертикальной линией. В природе эти ферменты защищают бактерии от заражения бактериофагами, разрезая ДНК фага, когда она вводится в клетку бактерии. Собственная ДНК бектерии защищена от рестриктаз с помощью метилирования. В этом случае нуклеазы — часть рестрикционных-модификационной системы.

ДНК-лигазы сшивают цукрофосфатни остовы молекул ДНК, используя энергию АТФ. Они особенно важны в процессах репликации цепочки, запаздывает, соединяя между собой фрагменты Оказаки. Кроме того, они используются в репарации ДНК и гомологичной рекомбинации. В лабораторных исследованиях лигазы широко используются в клонировании и финґерпринтингу.

Полимеразы

Другая важная для метаболизма ДНК группа ферментов синтезирует цепочки полинуклеотидов с нуклеозидтрифосфатов, это — полимеразы. Они добавляют нуклеотиды к 3′-гидроксильной группы предыдущего нуклеотида в цепочке ДНК, поэтому все полимеразы работают в направлении 5 ‘→ 3’. В активном центре этих ферментов субстрат — нуклеозидтрифосфат — спаривается с комлементарною основой в составе одноцепочечной полинуклеотидной цепочки — матрицы.

В процессе репликации ДНК, ДНК-зависимая ДНК-полимераза синтезирует копию исходной последовательности ДНК. Точность очень важна в этом процессе, так как ошибки полимеризации приведут к мутациям, поэтому многие полимеразы обладают способностью к «редактирование» — исправление ошибок. Полимераза узнает об ошибках в синтезе с отсутствием спаривания между неправильными нуклеотидами. После определения отсутствия спаривания активируется 3 ‘→ 5’ екзонуклеазна активность полимеразы и неправильная основа изымается. В большинстве организмов ДНК-полимеразы работают в виде большого комплекса, в который называется у бактерий реплисомою. Она содержит многочисленные дополнительные субъединицы, например, геликазы.

РНК-зависимые ДНК-полимеразы (обратные транскриптазы) — специализированный тип полимераз, которые копируют последовательность РНК на ДНК. К этому классу ферментов относится вирусная обратная транскриптаза, которая используется ретровирусами при инфекции клеток, а также теломераза, необходимая для репликации теломер. Теломераза — РНК-белковый комплекс, содержащий собственную матричную РНК, и используется для обратной транскрипции.

Транскрипция осуществляется ДНК-зависимой РНК-полимеразы, которая копирует последовательность ДНК одной цепочки на мРНК. В начале транскрипции гена РНК-полимераза присоединяется к последовательности в начале гена, промотором, и расплетает спираль ДНК. Затем она копирует последовательность гена на матричную РНК, пока не дойдет до участка ДНК в конце гена — терминатора, где она останавливается и отсоединяется от ДНК. Кроме того, ДНК-зависимая ДНК-полимераза человека, РНК-полимераза II, транскрибирует большую часть генов человека, работает в составе большого белкового комплекса, содержащего регуляторные и дополнительные субъединицы.

Генетическая рекомбинация

Двойная спираль ДНК обычно не взаимодействует с другими сегментами ДНК, а в клетках эукариот разные хромосомы пространственно разделены в ядре. Это расстояние между разными хромосомами важно для способности ДНК действовать в качестве стабильного носителя информации. В процессе рекомбинации две спирали ДНК разрываются, после чего непрерывность спиралей восстанавливается, но не обязательно в правильном порядке, поэтому обмен участками хромосом может привести к повреждению целостности генетического материала. С другой стороны, рекомбинация позволяет хромосомам обмениваться генетической информацией, в результате этого образуются новые комбинации генов, увеличивает эффективность естественного отбора и важно для быстрой эволюции новых белков.

В процессе негомологичной рекомбинации (негомологические соединения концов), что возникает в результате внешних повреждений, две спирали ДНК разрываются, после чего непрерывность спиралей восстанавливается в процессе репарации клетки двухцепочечных разрывов ДНК, но не обязательно в правильном порядке. Поэтому обмен участками негомологичных хромосом может привести к повреждению целостности генетического материала в результате разрыва генов или разрыва регуляторных связей — транслокаций.

Самая распространенная форма рекомбинации — гомологична рекомбинация — когда рекомбинация возникает между гомологичными хромосомами, то есть хромосомами имеют очень схожие последовательности (обычно образуются в организмах с половым размножением во время мейоза). Иногда в качестве гомологичных участков выступают транспозонов. Реакция гомологической рекомбинации катализируется ферментами, которые называются рекомбиназы, например, Cre. На первом этапе реакции рекомбиназа делает разрыв в одной из цепей ДНК, позволяя этой цепочке отделиться от комплементарной цепи и присоединится к одной из цепей второй хроматиды. Другой разрыв в цепочке второй хроматиды позволяет ей также отделиться и присоединится к цепочке, оставшийся без пары, с первой хроматиды, формируя структуру Холлидея. Структура Холлидея может передвигаться вдоль сопряженной пары хромосом, меняя цепочки местами. Реакция рекомбинации завершается, когда фермент разрезает соединение, а две цепочки лигируются.

Эволюция метаболизма ДНК

ДНК содержит генетическую информацию, которая делает возможной жизнедеятельность, рост, развитие и размножение всех современных организмов. Однако неизвестно в течение какого времени из четырех миллиардов лет истории жизни на Земле ДНК была главным носителем генетической информации. Существуют гипотезы, что РНК играла центральную роль в обмене веществ, поскольку она может переносить генетическую информацию, так и осуществлять катализ с помощью рибозимов. Кроме того, РНК — один из основных компонентов «фабрик белка» — рибосом. Древний РНК-мир, где нуклеиновая кислота использовалась и для катализа и для переноса информации мог послужить зародышем современного генетического кода, состоящего из четырех оснований. Это могло произойти в результате того, что число оснований в организме было компромиссом между небольшим, что увеличивало точность репликации, и большим, что увеличивало каталитическую активность рибозимов.

К сожалению, древние генетические системы не дожили до наших дней. ДНК в самые лучшие условиях окружающей среды сохраняется в течение 1 миллиона лет, а потом деградирует до коротких фрагментов. Получение ДНК и определение последовательности генов 16S рРНК из насекомых, погрязших в янтаре, который образовался 250 млн лет назад, и бактериальных спор служит темой оживленной дискуссии в научных кругах.

Использование ДНК в технологии

Методы работы с ДНК

С развитием молекулярной биологии было разработано много методов работы с ДНК. Эти методы прежде всего включают выделение ДНК, обычно посредством разрушения клеток, содержащих необходимую ДНК, и спиртовой преципитации ДНК из раствора. При необходимости ДНК очищают с помощью адсорбционной хроматографии. Большие количества ДНК можно получить с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР), что требует лишь нескольких молекул ДНК, но позволяет амплифицировать только относительно небольшие участки ДНК, обычно до 1500 bp, или молекулярного клонирования для участков большей длины.

Полученная ДНК может быть проанализирована с помощью рестрикционного анализа, т.е. разрезания ДНК на определенных участках с помощью рестриктаз, и разделение полученных фрагментов с помощью гелевого электрофореза, а затем, если необходимо, их визуализации с помощью Саузерн-блот. В некоторых случаях возможен одновременный анализ целых геномов, для чего используются ДНК-микрочипы, то есть матрицы, на которые нанесены флюоресцентной меченые комплементарные ДНК, позволяет проведение сравнительной гибридизации геномов и анализ уровня экспрессии бигатьох генов одновременно (хотя в последнем случае речь идет о детекцию РНК , а не ДНК).

Еще одним из распространенных методов работы с ДНК является секвенирование, то есть установление ее нуклеотидной последовательности. Многочисленные проекты секвенирования и анализа ДНК в последние годы 20-го века и в начале 21-го привели к установлению последовательностей и описания геномов многих организмов всех главных таксономических групп. Самым и самым известным из них стал проект генома человека.

Генная инженерия

Современные биология и биохимия интенсивно используют методы, основанные на рекомбинантной ДНК. Рекомбинантной ДНК — искусственно созданная человеком последовательность ДНК, части которой могут быть синтезированы химическим путем, с помощью ПЦР, или клонированы из ДНК разных организмов. Рекомбинантные ДНК могут быть трансформированы в клетки живых организмов в составе плазмид или вирусных векторов. Генетически модифицированные животные и растения обычно содержат рекомбинантные гены, встроенные в их хромосомы. Тогда как генетически модифицированные бактерии и дрожжи используются для производства рекомбинантных белков, животные используются в медицинских исследованиях, а растения с улучшенными пищевыми качествами — в сельском хозяйстве.

Судебно-медицинская экспертиза

Судмедэксперты используют найденные на месте преступления ДНК крови, спермы, кожи, слюны или волос для идентификации преступника. Процесс идентификации называется генетическим финґерпринтингом или определением картины (профиля) ДНК. В финґерпринтингу сравнивается вариабельны ДНК генома, например, короткие тандемные повторы и последовательности минисателлитах разных людей. Это очень надежный метод определения преступников, хотя определение может быть затруднено при загрязнении сцены преступления ДНК других людей.

Финґерпринтинг был разработан в 1984 году британским генетиком Алеком Джеффрейсом (Alec Jeffreys) и впервые использован в качестве доказательства в суде над Колином Питчфорком (Colin Pitchfork) в деле, где он был обвинен в убийстве и изнасиловании.

Сейчас во многих западных странах, например, Великобритании и США, в преступников, обвиняемых в преступлениях некоторых типов, забирается образец ДНК для базы данных. Это помогло определить виновных в ранее нераскрытых преступлениях, поскольку ДНК сохраняется на вещественных доказательствах. Еще этот метод используется для определения лица в случае массовой гибели людей и многих других тестах. В частности, помимо установления преступников, метод финґерпринтингу используется для проведения теста на отцовство, установление соответствия донорских органов, диагностики генетических болезней и исследования популяций животных.

Биоинформатика

Биоинформатика включая обработку данных (data mining), содержащийся в последовательности ДНК. Развитие компьютерных методов хранения и поиска такой информации привел к развитию таких направлений информатики, нашли и другое применение, как ССА (string searching algorithm), машинное обучение и организация баз данных. Алгоритмы типа ССА, которые ищут определенную последовательность «букв» в большей последовательности букв, были разработаны для поиска специфических последовательностей нуклеотидов. В других компьютерных приложениях, например, текстовых редакторах простейшие алгоритмы справляются с этой задачей, но проглядите последовательности ДНК принадлежит к сложным задачам, потому что они очень большие и состоят всего из четырех букв. Похожая проблема возникает при сравнении последовательностей из разных организмов (sequence alignment), которое используется в изучении филогенетических взаимоотношений между этими организмами и функций белков. Данные о последовательности целых геномов, одним из самым сложным из которых является геном человека, трудно использовать без описания, указывает на положение генов и регуляторных последовательностей на каждой хромосоме. Участки ДНК, последовательности которой содержат фрагменты, ассоциированные с генами, кодирующих белки или РНК, могут быть найдены с помощью специальных алгоритмов, которые позволяют предположить наличие продуктов экспрессии генов в их выявления в результате экспериментов.

ДНК и компьютеры нового поколения

ДНК впервые была использована в вычислительной технике для решения «проблемы гамильтонова пути», частного случая NP-полной задачи. ДНК-компьютер имеет преимущества над электронными компьютерами, поскольку теоретически требует меньше энергии, занимает меньше места и эффективный благодаря возможности одновременных расчетов. Другие задачи, например, задача «абстрактных машин», задача выполнимости булевых формул и вариант задачи коммивояжера были проанализированы с помощью ДНК-компьютеров. Благодаря компактности ДНК она теоретически может найти применение в криптографии, где может использоваться для конструирования одноразовых шифроблокнота.

История и антропология

Поскольку со временем в ДНК накапливаются мутации, которые затем передаются по наследству, она содержит историческую информацию, поэтому генетики могут исследовать эволюционную историю организмов (Филогенетика).

Филогенетика — метод эволюционной биологии. Если сравниваются последовательности ДНК внутри вида, эволюционные генетики могут узнать историю отдельных популяций. Эта информация может быть полезна в различных областях науки, начиная с экологической генетики и заканчивая антропологией, например, ДНК использовалась для идентификации десяти потерянных колен Израилевых. ДНК используется для определения отцовства и родственных отношений, например, было доказано, что третий президент США Томас Джефферсон был отцом ребенка рабыни Салли Гемингс. В России останки семьи последнего царя Российской империи Николая II были также идентифицированы с помощью образцов ДНК, взятой у родственников, живущих в настоящее время. Метод, используемый в таких случаях, похож на метод, который применяют в криминалистике.

Видео по теме

Изображения по теме

  • Дезоксирибонуклеиновая кислота
  • Дезоксирибонуклеиновая кислота
  • Дезоксирибонуклеиновая кислота
  • Дезоксирибонуклеиновая кислота
  • Дезоксирибонуклеиновая кислота
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Проверьте также
Закрыть
Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть