A dezoxiribonukleinsav ( DNS ) egy makromolekula (a három fő közül az egyik, a másik kettő az RNS és a fehérjék ), amely biztosítja a tárolást, a nemzedékről nemzedékre történő átvitelt és az élő szervezetek fejlődéséhez és működéséhez szükséges genetikai program végrehajtását . A DNS-molekula nukleotidszekvenciából álló genetikai kód formájában tárolja a biológiai információkat [1] . A DNS különböző típusú RNS -ek és fehérjék szerkezetéről tartalmaz információkat .
Az eukarióta ( állati , növényi és gombás ) sejtekben a DNS a sejtmagban a kromoszómák részeként , valamint egyes sejtszervecskékben ( mitokondriumokban és plasztidokban ) található. A prokarióta szervezetek ( baktériumok és archaeák ) sejtjeiben egy körkörös vagy lineáris DNS-molekula, az úgynevezett nukleoid , belülről kapcsolódik a sejtmembránhoz . Nekik és az alacsonyabb rendű eukariótáknak (például az élesztőknek ) is vannak kis autonóm, többnyire kör alakú DNS-molekulái, amelyeket plazmidoknak neveznek . Ezenkívül egy- vagy kétszálú DNS-molekulák alkothatják a DNS-tartalmú vírusok genomját .
Kémiai szempontból a DNS egy hosszú polimer molekula, amely ismétlődő blokkokból - nukleotidokból áll . Mindegyik nukleotid egy nitrogénbázisból , egy cukorból ( dezoxiribóz ) és egy foszfátcsoportból áll . A lánc nukleotidjai közötti kötéseket dezoxiribóz és egy foszfátcsoport (foszfodiészter kötések) hozza létre. Az esetek túlnyomó többségében (kivéve néhány egyszálú DNS-t tartalmazó vírust) a DNS makromolekula két láncból áll, amelyeket nitrogénbázisok orientálnak egymáshoz. Ez a kétszálú molekula spirálban van csavarva . A DNS-molekula egészének szerkezete a hagyományos, de téves "kettős spirál " nevet kapta: valójában ez egy "kettős csavar ". A hélix lehet jobb (DNS A- és B-formája) vagy baloldali (DNS Z-formája) [2] .
A DNS-ben négyféle nitrogénbázis található ( adenin (A), guanin (G), timin (T) és citozin (C). Az egyik lánc nitrogénbázisai a másik lánc nitrogénbázisaihoz hidrogénkötésekkel kapcsolódnak a komplementaritás elve szerint : az adenin (A) csak a timinnel (T), a guanin (G) csak a citozinnal (C) egyesül. . A nukleotidok szekvenciája lehetővé teszi az RNS különböző típusaira vonatkozó információk "kódolását", amelyek közül a legfontosabbak az információ vagy templát ( mRNS ), a riboszómális ( rRNS ) és a transzport ( tRNS ). Mindezek az RNS-típusok a DNS-templáton szintetizálódnak úgy, hogy a DNS-szekvenciát a transzkripció során szintetizált RNS-szekvenciába másolják , és részt vesznek a fehérje bioszintézisében ( transzlációs folyamat ). A sejt-DNS a kódoló szekvenciákon kívül olyan szekvenciákat is tartalmaz, amelyek szabályozó és szerkezeti funkciókat látnak el. Ezenkívül az eukarióta genomban gyakran megtalálhatók a "genetikai parazitákhoz" tartozó régiók, például a transzpozonok .
A DNS szerkezetének megfejtése ( 1953 ) a biológia történetének egyik fordulópontja volt. Francis Crick , James Watson és Maurice Wilkins 1962 -ben fiziológiai és orvosi Nobel-díjat kapott a felfedezéshez való kiemelkedő hozzájárulásukért . Rosalind Franklin , aki röntgensugárzást kapott , amely nélkül Watson és Crick nem tudott volna következtetéseket levonni a DNS szerkezetére vonatkozóan, 1958-ban halt meg rákban ( a Nobel-díjat nem posztumusz adják) [3] .
A DNS-t mint kémiai anyagot Johann Friedrich Miescher izolálta 1869 -ben a gennyben lévő sejtmaradványokból. Olyan anyagot izolált, amely nitrogént és foszfort tartalmaz. Kezdetben az új anyagot nukleinnek hívták , majd amikor Misher megállapította, hogy ez az anyag savas tulajdonságokkal rendelkezik, az anyagot nukleinsavnak nevezték el [4] . Az újonnan felfedezett anyag biológiai funkciója nem volt tisztázott, és a DNS-t sokáig a szervezet foszforraktárának tekintették . Sőt, még a 20. század elején is sok biológus úgy gondolta, hogy a DNS-nek semmi köze az információtovábbításhoz, mivel a molekula szerkezete szerintük túlságosan egységes, és nem tartalmazhat kódolt információt.
Az 1930-as évekig úgy gondolták, hogy a DNS-t csak állati sejtekben, az RNS -t pedig a növényi sejtekben találták meg . 1934 - ben a "Hoppe-Seyler's Zeitschrift fur physiologishe Chemie" című folyóiratban [5] , majd 1935 -ben a " Moszkvai Állami Egyetem tudományos jegyzeteiben " [6] jelentek meg A. N. Belozersky és A. R. Kizel szovjet biokémikusok cikkei , amelyekben megjelentek. bebizonyította a DNS jelenlétét a növényi sejtekben. 1936-ban Belozersky csoportja DNS-t izolált hüvelyesek, gabonafélék és más növények magjaiból és szöveteiből [7] . A szovjet tudósok ugyanazon csoportjának 1939-1947 -es kutatásának eredménye volt az első információ a világ tudományos irodalomban a különböző típusú baktériumok nukleinsavtartalmáról.
Fokozatosan bebizonyosodott, hogy a genetikai információ hordozója a DNS, nem pedig a fehérjék, ahogy korábban gondolták . Az egyik első döntő bizonyíték Oswald Avery, Colin Macleod és Maclean McCarthy (1944) bakteriális transzformációval kapcsolatos kísérleteiből származott . Ki tudták mutatni, hogy a pneumococcusokból izolált DNS felelős az úgynevezett transzformációért (az ártalmatlan tenyészet betegséget okozó tulajdonságok elsajátításáért az elpusztult kórokozó baktériumok hozzáadásával). Alfred Hershey és Martha Chase amerikai tudósok kísérlete ( Hershey-Chase kísérlet , 1952 ) radioaktívan jelölt fehérjékkel és bakteriofágok DNS-ével kimutatta, hogy csak a fág nukleinsav jut át a fertőzött sejtbe, és a fágok új generációja ugyanazokat a fehérjéket és nukleinsav, mint az eredeti fág [8] .
Az 1950-es évekig a DNS pontos szerkezete, valamint az örökletes információk átvitelének módja ismeretlen maradt. Bár bizonyosan ismert volt, hogy a DNS több nukleotidszálból áll, senki sem tudta, hogy pontosan hány szál és hogyan kapcsolódnak egymáshoz.
Erwin Chargaff biokémikus csoport 1949-1951- es munkája eredményeként . megfogalmazták az úgynevezett Chargaff-szabályokat . Chargaff és munkatársai papírkromatográfiával el tudták választani a DNS-nukleotidokat, és meghatározták a különböző típusú nukleotidok pontos mennyiségi arányát. Az adenin (A), timin (T), guanin (G) és citozin (C) aránya a következőképpen alakult: az adenin mennyisége megegyezik a timin mennyiségével, a guanin pedig a timin mennyiségével. citozin: A=T, G=C [9] [10 ] . Ezek a szabályok a röntgendiffrakciós elemzés adataival együtt döntő szerepet játszottak a DNS szerkezetének megfejtésében.
A DNS kettős hélix szerkezetét Francis Crick és James Watson javasolta 1953 - ban Maurice Wilkins és Rosalind Franklin és Chargaff szabályai alapján kapott röntgenadatok alapján [11] . Később a Watson és Crick által javasolt DNS-szerkezeti modell bizonyítást nyert, munkájukat 1962 -ben fiziológiai és orvosi Nobel-díjjal jutalmazták . Rosalind Franklin, aki ekkor már rákban halt meg, nem volt a díjazottak között, mivel a a díjat nem posztumusz adják át [12] .
Érdekes, hogy 1957-ben az amerikaiak Alexander Rich, Gary Felsenfeld és David Davis leírtak egy három hélixből álló nukleinsavat [13] . 1985-1986-ban pedig Makszim Davidovics Frank-Kamenyecszkij Moszkvában bemutatta, hogyan hajtódik össze a kétszálú DNS az úgynevezett H-formába, amely nem két, hanem három DNS-szálból áll [14] [15] .
A dezoxiribonukleinsav (DNS) egy biopolimer ( polianion ), amelynek monomerje egy nukleotid [16] [17] .
Mindegyik nukleotid egy foszforsav- maradékból áll, amely az 5'-helyzetben kapcsolódik a dezoxiribózcukorhoz , amelyhez a négy nitrogénbázis egyike is kapcsolódik glikozidos kötésen (C-N) keresztül az 1'-helyzetben . Egy jellegzetes cukor jelenléte az egyik fő különbség a DNS és az RNS között , amely e nukleinsavak nevében szerepel (az RNS ribózcukrot tartalmaz ) [18] . Példa a nukleotidokra az adenozin-monofoszfát , amelyben a foszfáthoz és ribózhoz kapcsolódó bázis az adenin (A) (az ábrán látható).
A molekulák szerkezete alapján a nukleotidokat alkotó bázisok két csoportra oszthatók: a purinokat ( adenin [A] és guanin [G]) összekapcsolt öt- és hattagú heterociklusok képezik ; a pirimidinek ( citozin [C] és timin [T]) hattagú heterociklusok [19] .
Kivételként például a PBS1 bakteriofágban az ötödik típusú bázis megtalálható a DNS-ben – az uracil ([U]), egy pirimidinbázis, amely abban különbözik a timintől, hogy a gyűrűn nincs metilcsoport, amely általában a timint helyettesíti. RNS-ben [20] .
A timin (T) és az uracil (U) nem korlátozódik olyan szigorúan a DNS-re, illetve az RNS-re, mint korábban gondolták. Tehát néhány RNS-molekula szintézise után ezekben a molekulákban jelentős számú uracil speciális enzimek segítségével metilálódik, és timinné alakul. Ez a transzport és riboszomális RNS -ekben fordul elő [21] .
A DNS-polimer szerkezete meglehetősen összetett. A nukleotidok kovalensen kapcsolódnak egymáshoz hosszú polinukleotid láncokká. Az esetek túlnyomó többségében (kivéve néhány egyszálú DNS-genomot tartalmazó vírust) ezeket a láncokat hidrogénkötések segítségével párokban kombinálják egy másodlagos szerkezetté, amelyet kettős hélixnek neveznek [11] [18] . Az egyes láncok gerincét váltakozó foszfátok és cukrok alkotják [22] . A DNS egy szálán belül a szomszédos nukleotidokat foszfodiészter kötések kötik össze , amelyek az egy nukleotid dezoxiribóz molekulájának 3'-hidroxil (3'-OH) csoportja és az 5'-foszfát csoport közötti kölcsönhatás eredményeként jönnek létre. (5'-RO 3 ) egy másik. A DNS-lánc aszimmetrikus végeit 3'-nek (három prime) és 5'-nek (öt prime) nevezzük. A lánc polaritása fontos szerepet játszik a DNS szintézisben (a lánc megnyúlása csak új nukleotidok hozzáadásával lehetséges a szabad 3' véghez).
Mint fentebb említettük, az élő szervezetek túlnyomó többségében a DNS nem egy, hanem két polinukleotid láncból áll. Ez a két hosszú lánc kettős hélix formájában van egymás körül csavarodva, amelyet az alkotó láncok egymással szemben lévő nitrogénbázisai között létrejövő hidrogénkötések stabilizálnak. A természetben ez a spirál leggyakrabban jobbkezes. A DNS-molekulát alkotó két szálban a 3'-végtől az 5'-végig az irányok ellentétesek (a szálak "anti-párhuzamosak" egymással).
A kettős hélix szélessége 22-24 Å , vagyis 2,2-2,4 nm , az egyes nukleotidok hossza 3,3 Å (0,33 nm) [23] . Ahogy egy csigalépcső oldalán, a DNS kettős spirálján, a molekula foszfátváza közötti résekben lépcsők láthatók, a bázisok szélei is láthatók, amelyek gyűrűi merőleges síkban helyezkednek el. a makromolekula hossztengelyéhez.
A kettős spirálban kis (12 Å) és nagy (22 Å) hornyok találhatók [24] . A fehérjék, mint például a transzkripciós faktorok , amelyek a kettős szálú DNS specifikus szekvenciáihoz kapcsolódnak, általában kölcsönhatásba lépnek a fő barázdában lévő bázisélekkel, ahol könnyebben hozzáférhetők [25] .
Az egyik szálon lévő minden bázis a második szálon egy meghatározott alaphoz van társítva. Az ilyen specifikus kötést komplementernek nevezzük . A purinok komplementerei a pirimidinek (vagyis képesek hidrogénkötést létrehozni velük): az adenin csak a timinnel, a citozin pedig a guaninnal alkot kötést. A kettős hélixben a láncok hidrofób kölcsönhatásokkal és egymásra épüléssel is összekapcsolódnak , amelyek függetlenek a DNS-bázisszekvenciától [26] .
A kettős hélix komplementaritása azt jelenti, hogy az egyik szálban található információ a másik szálban is megtalálható. A komplementer bázispárok közötti kölcsönhatások reverzibilitása és specificitása fontos a DNS-replikáció és a DNS minden egyéb funkciója szempontjából az élő szervezetekben.
Mivel a hidrogénkötések nem kovalensek , könnyen felszakadnak és helyreállíthatók. A kettős hélix láncok cipzárszerűen szétválhatnak enzimek ( helikáz ) hatására vagy magas hőmérsékleten [27] . A különböző bázispárok különböző számú hidrogénkötést alkotnak. Az AT-ket két, a GC-ket három hidrogénkötés köti össze, így több energia szükséges a GC-k megszakításához. A HC-párok százalékos aránya és a DNS-molekula hossza határozza meg a láncok disszociációjához szükséges energia mennyiségét: a magas HC-tartalmú hosszú DNS-molekulák jobban ellenállnak [28] . A nukleinsavak olvadáspontja az ionos környezettől függ, és az ionerősség növekedése stabilizálja a DNS-t a denaturációval szemben. Ha nátrium-kloridot adunk a DNS -hez, lineáris összefüggés van az olvadáspont és az oldat ionerősségének logaritmusa között. Feltételezhető, hogy egy elektrolit hozzáadása a DNS-szálak töltéseinek szűréséhez vezet, és ezáltal csökkenti a töltött foszfátcsoportok közötti elektrosztatikus taszító erőket, hozzájárulva a szerkezet merevségéhez. Hasonlóképpen a DNS olvadáspontját a mangán-, kobalt-, cink- és nikkelionok növelik, de a réz-, kadmium- és ólomionok éppen ellenkezőleg, csökkentik [29] .
A DNS-molekulák azon részei, amelyek funkciójukból adódóan könnyen elválaszthatók legyenek, mint például a TATA-szekvencia a bakteriális promóterekben , általában nagy mennyiségű A-t és T- t tartalmaznak.
A DNS-ben lévő nitrogénbázisok kovalensen módosíthatók, amit a génexpresszió szabályozásában használnak. Például gerinces sejtekben a citozin metilációját 5-metilcitozin előállítására használják a szomatikus sejtek, hogy a génexpressziós profilt átadják a leánysejteknek. A citozin metiláció nem befolyásolja a bázispárosodást a DNS kettős hélixben. Gerincesekben a DNS-metiláció a szomatikus sejtekben a citozin-metilációra korlátozódik a CH-szekvenciában [30] . A metiláció átlagos szintje különböző élőlényekben eltérő, például a Caenorhabditis elegans fonálférgében citozin metiláció nem figyelhető meg, míg gerinceseknél magas, akár 1%-os metilációt is találtak [31] . Az egyéb bázismódosítások közé tartozik az adenin- metiláció baktériumokban és az uracil- glikoziláció , hogy "J-bázist" képezzen a kinetoplasztokban [32] .
A citozin metilációja 5-metilcitozin képződésével a gén promoter részében korrelál annak inaktív állapotával [33] . A citozin-metiláció az X-kromoszóma inaktiválásához is fontos emlősökben [34] . A DNS-metilációt a genomi imprintingben alkalmazzák [35] . A karcinogenezis során jelentős zavarok lépnek fel a DNS-metilációs profilban [36] .
Biológiai szerepe ellenére az 5-metilcitozin spontán elveszítheti aminocsoportját (deaminát), timinné alakulva , így a metilált citozinok megnövekedett számú mutáció forrásai [37] .
A DNS-t számos mutagén károsíthatja , beleértve az oxidáló és alkilező anyagokat, valamint a nagy energiájú elektromágneses sugárzást - ultraibolya és röntgensugarak . A DNS-károsodás típusa a mutagén típusától függ. Például az ultraibolya károsítja a DNS-t azáltal, hogy timin dimereket képez benne, amelyek a szomszédos bázisok közötti kovalens kötések kialakulása során jönnek létre [39] .
Az oxidánsok, például a szabad gyökök vagy a hidrogén-peroxid többféle DNS-károsodást okoznak, beleértve a bázis módosulásokat, különösen a guanozint, valamint a DNS kettős szálú szakadásait [40] . Egyes becslések szerint naponta körülbelül 500 bázist károsítanak az oxidáló vegyületek minden emberi sejtben [41] [42] . A különböző típusú károsodások közül a legveszélyesebbek a kettős szálú törések, mivel ezek nehezen javíthatók , és kromoszóma szakaszok elvesztéséhez ( deléciók ) és transzlokációkhoz vezethetnek .
Sok mutagén molekula beépül ( interkalálódik ) két szomszédos bázispár közé. A legtöbb ilyen vegyület, például az etidium-bromid , a daunorubicin , a doxorubicin és a talidomid , aromás szerkezetű. Ahhoz, hogy egy interkaláló vegyület elférjen az alapok között, el kell válniuk, le kell tekerniük és meg kell törniük a kettős hélix szerkezetét. Ezek a DNS-szerkezet változásai zavarják a replikációt , mutációkat és transzkripciót okozva . Ezért az interkaláló vegyületek gyakran rákkeltő anyagok , amelyek közül a legismertebbek a benzopirén , az akridinek , az aflatoxin és az etidium-bromid [43] [44] [45] . E negatív tulajdonságok ellenére, a transzkripciót és a DNS-replikációt gátló képességük miatt, az interkalátorokat a kemoterápiában használják a gyorsan növekvő rákos sejtek elnyomására [46] .
Egyes anyagok ( ciszplatin [47] , mitomicin C [48] , psoralen [49] ) keresztkötéseket képeznek a DNS-szálak között, és gátolják a DNS-szintézist, aminek köszönhetően bizonyos típusú rák kemoterápiájában alkalmazzák őket (lásd rosszindulatú daganatok kemoterápiája neoplazmák ).
Ha megfogod a kötél végeit, és elkezded különböző irányba csavarni, az rövidebb lesz, és „szuper tekercsek” alakulnak ki a kötélen. A DNS szuperspirálható is. Normál állapotban a DNS-lánc 10,4 bázispáronként egy fordulatot tesz, de szupertekercses állapotban a hélix szorosabbra tekerhető vagy felcsavarható [50] . Kétféle szupercsavarás létezik: pozitív - normál fordulatok irányába, amelyben az alapok közelebb helyezkednek el egymáshoz; és negatív irányban. A természetben a DNS-molekulák általában negatív szuperspirálban vannak, amelyet enzimek, topoizomerázok vezetnek be [51] . Ezek az enzimek eltávolítják a DNS-ben a transzkripció és replikáció következtében fellépő további csavarodást [52] .
A lineáris kromoszómák végein speciális DNS-struktúrák találhatók, amelyeket telomereknek neveznek . E régiók fő funkciója a kromoszómavégek integritásának megőrzése [54] . A telomerek emellett megvédik a DNS-végeket az exonukleázok általi lebontástól, és megakadályozzák a javítórendszer aktiválódását [55] . Mivel a hagyományos DNS-polimerázok nem képesek replikálni a kromoszómák 3'-végét, ezt egy speciális enzim, a telomeráz végzi .
Az emberi sejtekben a telomereket gyakran egyszálú DNS képviseli, és a TTAGGG szekvencia több ezer ismétlődő egységéből állnak [56] . Ezek a guaninban gazdag szekvenciák stabilizálják a kromoszómák végeit, és nagyon szokatlan struktúrákat, úgynevezett G-quadruplexeket képeznek , amelyek négy, nem pedig két kölcsönható bázisból állnak. Négy guaninbázis, amelyek mindegyike ugyanabban a síkban van, egy lemezt alkot, amelyet a bázisok közötti hidrogénkötések és a közepén egy fémion (leggyakrabban kálium ) kelát képződik. Ezeket a lemezeket egymás fölé rakják [57] .
A kromoszómák végein más struktúrák is kialakulhatnak: a bázisok egy láncban vagy különböző párhuzamos láncokban helyezkedhetnek el. Ezeken a "stack" struktúrákon kívül a telomerek nagy hurokszerű struktúrákat alkotnak, amelyeket T-huroknak vagy telomer huroknak neveznek. Ezekben az egyszálú DNS széles gyűrű formájában helyezkedik el, amelyet telomer fehérjék stabilizálnak [58] . A T-hurok végén az egyszálú telomer DNS csatlakozik a kétszálú DNS-hez, megszakítva a szálak párosítását ebben a molekulában, és kötéseket hozva létre az egyik szállal. Ezt a három szálból álló formációt D-huroknak (az angol displacement loop szóból ) nevezik [57] .
A DNS a genetikai információ hordozója, amelyet a genetikai kód segítségével nukleotidszekvenciaként írnak le . Az élő szervezetek két alapvető tulajdonsága kapcsolódik a DNS-molekulákhoz: az öröklődés és a változékonyság . A DNS- replikációnak nevezett folyamat során az eredeti lánc két másolata keletkezik, amelyeket az osztódás során a leánysejtek örökölnek , ami azt jelenti, hogy a létrejövő sejtek genetikailag azonosak az eredetivel.
A genetikai információ a génexpresszió során valósul meg a transzkripció ( RNS - molekulák szintézise DNS-templáton) és transzláció ( fehérjék szintézise RNS - templáton ) folyamataiban.
A nukleotidszekvencia különböző típusú RNS-ekről "kódol": információs vagy templát ( mRNS ), riboszómális ( rRNS ) és transzport ( tRNS ). Az összes ilyen típusú RNS szintetizálódik a DNS-ből a transzkripció folyamatán keresztül . A fehérje bioszintézisben ( transzlációs folyamatban ) betöltött szerepük eltérő. A Messenger RNS információkat tartalmaz a fehérjében lévő aminosavak sorrendjéről , a riboszómális RNS a riboszómák (komplex nukleoprotein komplexek, amelyek fő funkciója az mRNS-en alapuló fehérje összeállítása az egyes aminosavakból) alapjául, az RNS transzfer aminosavak szállítása. savak a fehérje gyülekezési helyére - a riboszóma aktív központjába, "kúsznak" az mRNS mentén.
A legtöbb természetes DNS kettős szálú szerkezettel rendelkezik, vagy lineáris ( eukarióták , egyes vírusok és bizonyos baktériumnemzetségek ) vagy körkörös ( prokarióták , kloroplasztiszok és mitokondriumok ). Egyes vírusok és bakteriofágok lineáris egyszálú DNS-t tartalmaznak . A DNS-molekulák in vivo sűrűn csomagolt, kondenzált állapotban vannak [59] . Az eukarióta sejtekben a DNS főként a sejtmagban található, és a mitózis profázisának, metafázisának vagy anafázisának szakaszában, fénymikroszkóppal megfigyelhető kromoszómakészlet formájában . A bakteriális (prokarióta) DNS-t általában egyetlen körkörös DNS-molekula képviseli, amely a citoplazmában egy szabálytalan alakú képződményben található, amelyet nukleoidnak neveznek [60] . A genom genetikai információja génekből áll. A gén egy örökletes információ átviteli egysége és egy DNS-szakasz, amely egy szervezet bizonyos jellemzőit befolyásolja. A gén egy nyitott leolvasási keretet tartalmaz , amely átíródik, valamint szabályozó szekvenciákat, mint például a promoter és az enhanszer , amelyek szabályozzák a nyílt leolvasási keretek expresszióját.
Sok fajban a teljes genomszekvenciának csak egy kis része kódol fehérjéket. Így az emberi genomnak csak körülbelül 1,5%-a áll fehérjét kódoló exonokból , és az emberi DNS több mint 50%-a nem kódoló ismétlődő DNS-szekvenciákból [61] . Az eukarióta genomokban ilyen nagy mennyiségű nem kódoló DNS jelenléte és a genomméretben (C-értékben) tapasztalható óriási különbség okai az egyik megfejtetlen tudományos rejtély [62] ; Az ezen a területen végzett kutatások arra is rámutatnak, hogy a DNS ezen részében nagyszámú ereklyevírus-fragmentum található.
Jelenleg egyre több olyan adat halmozódik fel, amely ellentmond a nem kódoló szekvenciák "szemét DNS"-nek ( angol. junk DNA ) való elképzelésének. A telomerek és centromerek kevés gént tartalmaznak, de fontosak a kromoszóma működése és stabilitása szempontjából [55] [63] . Az emberi nem kódoló szekvenciák gyakori formája a pszeudogén , a mutációk következtében inaktivált gének másolatai [64] . Ezek a szekvenciák olyanok, mint a molekuláris fosszíliák , bár néha kiindulási anyagként szolgálhatnak a génduplikációhoz és az azt követő divergenciához [65] . A fehérjediverzitás másik forrása a szervezetben az intronok „vágási és ragasztási vonalként” történő alkalmazása az alternatív splicing során [66] . Végül, a nem fehérjét kódoló szekvenciák kódolhatnak sejtes helper RNS -eket , például snRNS -eket [67] . A humán genom nemrégiben végzett transzkripciós vizsgálata kimutatta, hogy a genom 10%-a poliadenilált RNS -t eredményez [68] , az egérgenom vizsgálata pedig azt mutatta, hogy ennek 62%-a íródik át [69] .
A DNS-ben kódolt genetikai információt ki kell olvasni, és végül a sejteket alkotó különféle biopolimerek szintézisében kell kifejezni. A DNS-szál bázisszekvenciája közvetlenül meghatározza az RNS -ben lévő bázisszekvenciát , amelyre a transzkripciónak nevezett folyamat során "átírják". Az mRNS esetében ez a szekvencia határozza meg a fehérje aminosavait . Az mRNS nukleotid szekvencia és az aminosav szekvencia közötti kapcsolatot a transzlációs szabályok határozzák meg , amelyeket genetikai kódnak neveznek . A genetikai kód hárombetűs „szavakból”, úgynevezett kodonokból áll, amelyek három nukleotidból állnak (azaz ACT, CAG, TTT stb.). A transzkripció során egy gén nukleotidjait az RNS polimeráz a szintetizált RNS-re másolja . Az mRNS esetében ezt a másolatot a riboszóma dekódolja , amely "beolvassa" az mRNS-szekvenciát azáltal, hogy párosítja a hírvivő RNS-t a transzfer RNS -sel , amely az aminosavakhoz kapcsolódik. Mivel 4 bázist használnak a 3 betűs kombinációkban, összesen 64 kodon van (4³ kombináció). A kodonok 20 standard aminosavat kódolnak, amelyek mindegyike a legtöbb esetben egynél több kodonnak felel meg. Az mRNS végén található három kodon egyike nem aminosavat jelent, és meghatározza a fehérje végét, ezek „stop” vagy „nonszensz” kodonok - TAA, TGA, TAG.
A sejtosztódás egy egysejtű szervezet szaporodásához és egy többsejtű szervezet növekedéséhez szükséges, de osztódás előtt a sejtnek meg kell duplikálnia a genomot, hogy a leánysejtek ugyanazt a genetikai információt tartalmazzák, mint az eredeti sejt. A DNS megkettőződésének (replikációjának) számos elméletileg lehetséges mechanizmusa közül egy félig konzervatív valósul meg. A két szálat elválasztják, majd minden hiányzó komplementer DNS-szekvenciát a DNS-polimeráz enzim reprodukál . Ez az enzim úgy szintetizál egy polinukleotid láncot, hogy megtalálja a megfelelő nukleotidot komplementer bázispárosítással, és hozzáadja a növekvő lánchoz. A DNS-polimeráz nem tud új láncot indítani, csak egy meglévőt tud felépíteni, ezért szüksége van egy rövid nukleotidláncra - ( primáz ) által szintetizált primerre . Mivel a DNS polimerázok csak 5' --> 3' irányban képesek szintetizálni egy szálat, az antiparallel DNS szálak másolása különböző módon történik: az egyik szál folyamatosan, míg a második szál nem folytonos [70] .
A DNS minden funkciója a fehérjékkel való kölcsönhatásától függ. A kölcsönhatások lehetnek nem specifikusak, ahol a fehérje bármely DNS-molekulához kötődik, vagy egy adott szekvencia jelenlététől függhetnek. Az enzimek kölcsönhatásba léphetnek a DNS-sel is, amelyek közül a legfontosabbak az RNS-polimerázok , amelyek a DNS-bázisszekvenciát RNS-be másolják transzkripció vagy egy új DNS-lánc replikációjának szintézise során .
A fehérjék és a DNS kölcsönhatásának jól tanulmányozott példája, amely nem függ a DNS nukleotidszekvenciájától, a szerkezeti fehérjékkel való kölcsönhatás. Egy sejtben a DNS ezekhez a fehérjékhez kötődik, és egy kompakt szerkezetet alkot, amelyet kromatinnak neveznek . Az eukariótákban a kromatin kis lúgos fehérjék, hisztonok DNS-hez kapcsolásával jön létre, a kevésbé rendezett prokarióta kromatin hisztonszerű fehérjéket tartalmaz [71] [72] . A hisztonok korong alakú fehérjeszerkezetet alkotnak - nukleoszómát , amely köré a DNS-spirál két-két menete illeszkedik. A hisztonok és a DNS között nem specifikus kötések a hisztonok lúgos aminosavainak ionos kötései és a DNS cukor-foszfát gerincének savas oldalláncai miatt jönnek létre [73] . Ezen aminosavak kémiai módosításai közé tartozik a metilezés, foszforiláció és acetilezés [74] . Ezek a kémiai módosítások megváltoztatják a DNS és a hisztonok közötti kölcsönhatás erősségét, befolyásolva a specifikus szekvenciák elérhetőségét a transzkripciós faktorok számára , és megváltoztatják a transzkripció sebességét [75] . A kromatinban lévő egyéb fehérjék, amelyek nem specifikus szekvenciákhoz kapcsolódnak, olyan fehérjék, amelyek gélekben nagy mobilitást mutatnak, és amelyek többnyire a hajtogatott DNS-hez kapcsolódnak [76] . Ezek a fehérjék fontosak a kromatin magasabb rendű struktúráinak kialakításában [77] .
A DNS-hez kötődő fehérjék egy speciális csoportja az egyszálú DNS-hez társuló fehérjék. Ennek a csoportnak a legjellemzőbb fehérje az emberben a replikációs protein A, amely nélkül a legtöbb folyamat, amelyben a kettős hélix letekerődik, beleértve a replikációt, a rekombinációt és a javítást , nem mehet végbe . Az ebbe a csoportba tartozó fehérjék stabilizálják az egyszálú DNS-t, és megakadályozzák a szárhurok kialakulását vagy a nukleázok általi lebomlását [78] .
Ugyanakkor más fehérjék specifikus szekvenciákat ismernek fel és kapcsolódnak hozzájuk. Az ilyen fehérjék leginkább tanulmányozott csoportja a transzkripciós faktorok különböző osztályai, azaz a transzkripciót szabályozó fehérjék . Ezen fehérjék mindegyike felismer egy szekvenciát, gyakran egy promóterben , és aktiválja vagy elnyomja a géntranszkripciót. Ez a transzkripciós faktorok és az RNS-polimeráz összekapcsolásával történik , akár közvetlenül, akár közvetítő fehérjéken keresztül. A polimeráz először fehérjékkel asszociál, majd transzkripciót kezd [79] . Más esetekben a transzkripciós faktorok olyan enzimekhez kapcsolódhatnak, amelyek módosítják a promótereken található hisztonokat , ami megváltoztatja a DNS polimerázokhoz való hozzáférését [80] .
Mivel a specifikus szekvenciák a genomban számos helyen előfordulnak, az egyik típusú transzkripciós faktor aktivitásában bekövetkező változások több ezer gén aktivitását megváltoztathatják [81] . Ennek megfelelően ezeket a fehérjéket gyakran a környezeti változások, a szervezet fejlődése és a sejtdifferenciálódás hatására szabályozzák . A transzkripciós faktorok DNS-sel való kölcsönhatásának specifitását az aminosavak és a DNS-bázisok közötti számos érintkezés biztosítja, amely lehetővé teszi számukra a DNS-szekvencia „olvasását”. A legtöbb alapérintkező a fő horonyban található, ahol az alapok jobban hozzáférhetők [25] .
A sejtben a DNS egy kompakt, ún. szupercsavart állapotban, különben nem tudna beleférni. A létfontosságú folyamatok végbemeneteléhez a DNS-t fel kell csavarni, amelyet a fehérjék két csoportja – a topoizomerázok és a helikázok – állít elő.
A topoizomerázok olyan enzimek, amelyek nukleáz és ligáz aktivitással is rendelkeznek. Megváltoztatják a DNS szupertekercselési fokát. Ezen enzimek némelyike elvágja a DNS-hélixet, és lehetővé teszi az egyik szál forgását, ezáltal csökkentve a szuperspirálozás szintjét, ami után az enzim bezárja a rést [51] . Más enzimek elvághatják az egyik szálat, és átvezethetik a második szálat a törésen, majd az első szálon a törést ligálhatják [82] . A topoizomerázok nélkülözhetetlenek számos DNS-sel kapcsolatos folyamatban, például a replikációban és a transzkripcióban [52] .
A helikázok olyan fehérjék, amelyek a molekuláris motorok egyike . A nukleotid-trifoszfátok , leggyakrabban az ATP kémiai energiáját használják fel a bázisok közötti hidrogénkötések megszakításához, a kettős hélixet külön szálakká bontják [83] . Ezek az enzimek nélkülözhetetlenek a legtöbb olyan folyamathoz, ahol a fehérjéknek hozzá kell férniük a DNS-bázisokhoz.
Nukleázok és ligázokA sejtben végbemenő különféle folyamatokban, például a rekombinációban és a javításban , olyan enzimek vesznek részt, amelyek elvághatják és helyreállíthatják a DNS-szálak integritását. A DNS-t hasító enzimeket nukleázoknak nevezzük. A DNS-molekula végén található nukleotidokat hidrolizáló nukleázokat exonukleázoknak nevezzük, míg az endonukleázok a DNS-t a szálon belül vágják el. A molekuláris biológiában és a géntechnológiában leggyakrabban használt nukleázok a restrikciós endonukleázok (restrikciós enzimek), amelyek meghatározott szekvenciák körül elvágják a DNS-t. Például az EcoRV enzim (" E. coliból " származó #5 restrikciós enzim ) felismeri az 5'-GAT|ATC-3' hat nukleotid szekvenciát, és a függőleges vonallal jelzett helyen elvágja a DNS-t. A természetben ezek az enzimek megvédik a baktériumokat a bakteriofág fertőzéstől azáltal, hogy elvágják a fág DNS-ét, amikor az bejut a baktériumsejtbe. Ebben az esetben a nukleázok a módosítás-korlátozó rendszer részét képezik [84] . A DNS-ligázok "összevarrják" a DNS-fragmensek végeit, katalizálják a foszfodiészter kötés kialakulását az ATP energiájával . A restrikciós nukleázokat és ligázokat klónozáshoz és ujjlenyomatvételhez használják .
PolimerázokVan egy olyan enzimcsoport is, amely a DNS-anyagcsere szempontjából fontos, és amelyek polinukleotid-láncokat szintetizálnak nukleozid-trifoszfátokból - a DNS-polimerázból. A DNS-szálban az előző nukleotid 3' - hidroxilcsoportjához nukleotidokat adnak, így minden polimeráz 5'-->3' irányban működik [85] . Ezen enzimek aktív központjában a szubsztrát - nukleozid-trifoszfát - egy egyszálú polinukleotid lánc részeként egy komplementer bázissal párosul - egy templát.
A DNS-replikáció során a DNS-függő DNS-polimeráz szintetizálja az eredeti DNS-szekvencia másolatát. A pontosság nagyon fontos ebben a folyamatban, mivel a polimerizációs hibák mutációkhoz vezetnek , így sok polimeráz képes "szerkeszteni" - kijavítani a hibákat. A polimeráz felismeri a szintézis hibákat a helytelen nukleotidok közötti párosítás hiányából. Ha a párosítást nem állapítják meg, a polimeráz 3'-->5' exonukleáz aktivitása aktiválódik, és a rossz bázist eltávolítják [86] . A legtöbb organizmusban a DNS-polimerázok egy nagy komplexként működnek, amelyet repliszómának neveznek , és amely számos további alegységet, például helikázokat tartalmaz [87] .
Az RNS-függő DNS-polimerázok a polimerázok speciális típusai, amelyek egy RNS-szekvenciát másolnak a DNS-re. Ebbe a típusba tartozik a reverz transzkriptáz , amelyet a retrovírusok tartalmaznak, és a sejtfertőzések során használnak, valamint a telomeráz , amely a telomer replikációjához szükséges [88] . A telomeráz szokatlan enzim, mivel saját hírvivő RNS-t tartalmaz [55] .
A transzkripciót a DNS-függő RNS-polimeráz végzi , amely az egyik szál DNS-szekvenciáját mRNS -re másolja . A gén transzkripciójának kezdetekor az RNS-polimeráz a gén elején lévő szekvenciához kapcsolódik, amelyet promóternek neveznek , és felcsavarja a DNS-hélixet. Ezután a génszekvenciát a hírvivő RNS-re másolja, amíg el nem éri a gén végén lévő DNS-régiót, a terminátort , ahol megáll és leválik a DNS-ről. A humán DNS-függő DNS-polimerázhoz hasonlóan az RNS-polimeráz II, amely a legtöbb gént átírja az emberi genomban , egy nagy fehérjekomplex részeként működik, amely szabályozó és további egységeket tartalmaz [89] .
A DNS kettős hélix általában nem lép kölcsönhatásba más DNS-szakaszokkal, és az emberi sejtekben a különböző kromoszómák térben elkülönülnek a sejtmagban [90] . Ez a különböző kromoszómák közötti távolság fontos ahhoz, hogy a DNS stabil információhordozóként tudjon működni. Az enzimek segítségével történő rekombináció során a DNS két szála megszakad, szakaszokat cserél, ami után helyreáll a hélixek folytonossága, így a nem homológ kromoszómák szakaszainak cseréje károsíthatja a genetikai anyag integritását.
A rekombináció lehetővé teszi a kromoszómák genetikai információcseréjét, ami új génkombinációk kialakulását eredményezi, ami növeli a természetes szelekció hatékonyságát és fontos az új fehérjék gyors evolúciója szempontjából [91] . A genetikai rekombináció a javításban is szerepet játszik , különösen a sejt válaszában a DNS mindkét szálának megszakítására [92] .
A keresztezés leggyakoribb formája a homológ rekombináció , amikor a rekombinációban részt vevő kromoszómák nagyon hasonló szekvenciákkal rendelkeznek. Néha a transzpozonok homológiarégióként működnek . A nem homológ rekombináció sejtkárosodáshoz vezethet, mivel az ilyen rekombinációból transzlokációk származnak . A rekombinációs reakciót a rekombinázoknak nevezett enzimek, például a Cre katalizálják. A reakció első lépésében a rekombináz megszakítja az egyik DNS-szálat, lehetővé téve, hogy ez a szál elváljon a komplementer száltól , és csatlakozzon a második kromatid egyik szálához . A második kromatid szálának második megszakítása lehetővé teszi, hogy a párosítatlan szálat is elválassza az első kromatidtól, és csatlakozzon hozzá a Holliday-struktúrához . A Holliday szerkezet az összekapcsolt kromoszómapár mentén mozoghat, helyenként megváltoztatva a láncokat. A rekombinációs reakció akkor fejeződik be, amikor az enzim elvágja a kapcsolódási pontot, és a két szál össze van kötve [93] .
A DNS tartalmazza azt a genetikai információt, amely lehetővé teszi az életet, a növekedést, a fejlődést és a szaporodást minden modern szervezet számára. Azt azonban nem tudni, hogy a földi élet történetének négymilliárd éve alatt meddig volt a DNS a genetikai információ fő hordozója. Vannak olyan hipotézisek, hogy az RNS központi szerepet játszott az anyagcserében , mivel genetikai információt hordozhat és ribozimek segítségével katalizálhat [94] [95] [96] . Ezenkívül az RNS a "fehérjegyárak" - riboszómák - egyik fő összetevője . Az ókori RNS-világ, ahol a nukleinsavat mind katalízisre, mind információátvitelre használták, a modern négybázisú genetikai kód forrásaként szolgálhat. Ez annak tudható be, hogy a testben lévő bázisok száma kompromisszumot jelentett a kis számú bázis között, ami növelte a replikáció hűségét , és a nagyszámú bázis között, amely növelte a ribozimek katalitikus aktivitását [97] .
Sajnos az ősi genetikai rendszerek a mai napig nem maradtak fenn. A DNS a környezetben átlagosan 1 millió évig fennmarad, fokozatosan rövid darabokra bomlik. A 250 millió évvel ezelőtt sókristályokba zárt baktériumspórákból DNS-kinyerés és a 16S rRNS génszekvencia meghatározása [98] élénk vita tárgyát képezi a tudományos közösségben [99] [100] .
![]() | ||||
---|---|---|---|---|
|
Nukleinsav típusok | ||||
---|---|---|---|---|
Nitrogéntartalmú bázisok | ||||
Nukleozidok | ||||
Nukleotidok | ||||
RNS | ||||
DNS | ||||
Analógok | ||||
Vektor típusok |
| |||
|
Genetika | ||
---|---|---|
Kulcsfogalmak | ||
A genetika területei | ||
minták | ||
Kapcsolódó témák |