ДНК

Строение двойной спирали ДНК . Эти атомы в структуре имеют цветовое кодирование с помощью элемента и подробные структуры двух пар оснований показаны в правом нижнем углу.

Строение части двойной спирали ДНК

Дезоксирибонуклеиновой кислоты ( / д я ɒ к с ɪ ˌ г aɪ б oʊ щ ¯u ˌ к л я ɪ к , - ˌ к л eɪ - / ( слушать ) ; ^[1] ДНК ) представляет собой молекулу , состоит из двух полинуклеотидных цепей, обвиваются вокруг друг друга, образуя двойную спираль, несущую генетические инструкции для развития, функционирования, роста иразмножение всех известных организмов и многих вирусов . ДНК и рибонуклеиновая кислота (РНК) являются нуклеиновыми кислотами . Наряду с белками , липидами и сложными углеводами ( полисахаридами ) нуклеиновые кислоты являются одним из четырех основных типов макромолекул , которые необходимы для всех известных форм жизни .

Две цепи ДНК известны как полинуклеотиды, поскольку они состоят из более простых мономерных единиц, называемых нуклеотидами . ^{[2] [3]} Каждый нуклеотид состоит из одного из четырех азотсодержащих азотистых оснований ( цитозин [C], гуанин [G], аденин [A] или тимин [T]), сахара, называемого дезоксирибозой , и фосфатной группы . Нуклеотиды соединены друг с другом в цепь ковалентными связями.(известная как фосфо-диэфирная связь) между сахаром одного нуклеотида и фосфатом следующего, в результате чего получается чередующийся сахарно-фосфатный остов . Азотистые основания двух отдельных полинуклеотидных цепей связаны вместе в соответствии с правилами спаривания оснований (A с T и C с G) водородными связями для образования двухцепочечной ДНК. Дополнительные азотистые основания делятся на две группы: пиримидины и пурины . В ДНК пиримидины - это тимин и цитозин; пурины - это аденин и гуанин.

Обе нити двухцепочечной ДНК хранят одинаковую биологическую информацию . Эта информация воспроизводится, когда две нити разделяются. Большая часть ДНК (более 98% для человека) не кодирует , что означает, что эти участки не служат образцами для белковых последовательностей . Две цепи ДНК идут в противоположных направлениях друг к другу и, таким образом, антипараллельны . К каждому сахару присоединен один из четырех типов азотистых оснований (неформально, оснований ). Именно последовательность этих четырех азотистых оснований вдоль скелета кодирует генетическую информацию. Нити РНК создаются с использованием нитей ДНК в качестве матрицы в процессе, называемомтранскрипция , при которой основания ДНК заменяются соответствующими основаниями, за исключением случая тимина (T), для которого РНК заменяет урацил (U). ^[4] В соответствии с генетическим кодом эти цепи РНК определяют последовательность аминокислот в белках в процессе, называемом трансляцией .

Внутри эукариотических клеток ДНК организована в длинные структуры, называемые хромосомами . Перед типичным делением клетки эти хромосомы дублируются в процессе репликации ДНК , обеспечивая полный набор хромосом для каждой дочерней клетки. Эукариотические организмы ( животные , растения , грибы и простейшие ) хранят большую часть своей ДНК в ядре клетки в виде ядерной ДНК , а некоторые - в митохондриях в виде митохондриальной ДНК или в хлоропластах в виде хлоропластной ДНК . ^[5]Напротив, прокариоты ( бактерии и археи ) хранят свою ДНК только в цитоплазме , в кольцевых хромосомах . В хромосомах эукариот белки хроматина , такие как гистоны , уплотняют и организуют ДНК. Эти уплотняющие структуры направляют взаимодействия между ДНК и другими белками, помогая контролировать, какие части ДНК транскрибируются.

Характеристики

ДНК - это длинный полимер, состоящий из повторяющихся звеньев, называемых нуклеотидами , каждая из которых обычно обозначается одной буквой: A, T, C или G. ^{[6] [7]} Структура ДНК динамична по всей длине, будучи способны скручиваться в узкие петли и другие формы. ^[8] У всех видов он состоит из двух спиральных цепей, связанных друг с другом водородными связями . Обе цепи намотаны вокруг одной оси и имеют одинаковый шаг в 34  ангстрем (Å) (3,4  нанометра ). Пара цепочек имеет радиус 10 ангстрем (1,0 нанометр). ^[9]Согласно другому исследованию, при измерении в другом растворе длина цепи ДНК составляла от 22 до 26 ангстрем (от 2,2 до 2,6 нанометров), а длина одной нуклеотидной единицы - 3,3 Å (0,33 нм). ^[10] Хотя каждый отдельный нуклеотид очень мал, полимер ДНК может быть очень большим и содержать сотни миллионов нуклеотидов, например, в хромосоме 1 . Хромосома 1 - самая большая хромосома человека с приблизительно 220 миллионами пар оснований , и ее длина составила бы 85 мм в случае выпрямления. ^[11]

ДНК обычно существует не как одна нить, а как пара нитей, которые крепко скреплены вместе. ^{[9] [12]} Эти две длинные нити наматываются друг на друга в форме двойной спирали . Нуклеотид содержит как сегмент основной цепи молекулы (который удерживает цепь вместе), так и азотистое основание (которое взаимодействует с другой цепью ДНК в спирали). Основание, связанное с сахаром, называется нуклеозидом , а основание, связанное с сахаром и одной или несколькими фосфатными группами, называется нуклеотидом . Биополимер , содержащий несколько связанных нуклеотидов (как в ДНК) называется полинуклеотид .^[13]

Основа нити ДНК состоит из чередующихся фосфатных и сахарных групп. ^[14] Сахар в ДНК - 2-дезоксирибоза , пентозный ( пятиуглеродный ) сахар. Сахара соединены вместе фосфатными группами, которые образуют фосфодиэфирные связи между третьим и пятым атомами углерода соседних сахарных колец. Они известны как 3'-концевые (три основных конца) и 5'-концевые (пять простых концов) атомы углерода, причем основной символ используется для отличия этих атомов углерода от атомов основания, с которым дезоксирибоза образует гликозидную связь.. Следовательно, любая цепь ДНК обычно имеет один конец, на котором есть фосфатная группа, присоединенная к 5'-углеродному углероду рибозы (5'-фосфорил), и другой конец, на котором есть свободная гидроксильная группа, присоединенная к 3'-углеродному атому рибоза (3 'гидроксил). Ориентация 3 'и 5' атомов углерода вдоль сахарофосфатного остова придает направленность (иногда называемую полярностью) каждой цепи ДНК. В двойной спирали нуклеиновой кислоты направление нуклеотидов в одной цепи противоположно их направлению в другой цепи: цепи антипараллельны.. Говорят, что асимметричные концы нитей ДНК имеют направленность пяти основных концов (5 ') и трех основных концов (3'), причем 5 'конец имеет концевую фосфатную группу, а 3' конец - концевую гидроксильную группу. Одно из основных различий между ДНК и РНК - это сахар, при этом 2-дезоксирибоза в ДНК заменяется альтернативным пентозным сахаром рибозой в РНК. ^[12]

Двойная спираль ДНК стабилизируется главным образом двумя силами: водородными связями между нуклеотидами и взаимодействиями стэкинга оснований между ароматическими азотистыми основаниями. ^[16] Четыре основания, обнаруженные в ДНК, - это аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T). Эти четыре основания присоединены к сахарному фосфату с образованием полного нуклеотида, как показано для аденозинмонофосфата . Аденин соединяется с тимином, а гуанин - с цитозином, образуя пары оснований AT и GC . ^{[17] [18]}

Классификация нуклеооснований

Нуклеотидные основания подразделяются на два типа: пурины , A и G, которые представляют собой конденсированные пяти- и шестичленные гетероциклические соединения , и пиримидины , шестичленные кольца C и T. ^[12] Пятое пиримидиновое азотистое основание, урацил ( U), обычно занимает место тимина в РНК и отличается от тимина отсутствием метильной группы в его кольце. Помимо РНК и ДНК, многие искусственные аналоги нуклеиновых кислот были созданы для изучения свойств нуклеиновых кислот или для использования в биотехнологии. ^[19]

Неканонические основы

Модифицированные основания встречаются в ДНК. Первый из них был признан 5-метилцитозин , который был найден в геноме из микобактерий туберкулеза в 1925 г. ^[20] Причина присутствия этих неканонических оснований в бактериальных вирусов ( бактериофагов ), чтобы избежать ферменты рестрикции присутствуют в бактерий. Эта ферментная система действует, по крайней мере, частично как молекулярная иммунная система, защищающая бактерии от заражения вирусами. ^[21] Модификации оснований цитозина и аденина, наиболее распространенных и модифицированных оснований ДНК, играют жизненно важную роль в эпигенетическом контроле экспрессии генов у растений и животных. ^[22]

Список неканонических оснований, обнаруженных в ДНК

Известно, что в ДНК встречается ряд неканонических оснований. ^[23] Большинство из них являются модификациями канонических оснований плюс урацил.

• Модифицированный аденозин
  • N6-карбамоил-метиладенин
  • N6-метиаденин
• Модифицированный гуанин
  • 7-деазагуанин
  • 7-метилгуанин
• Модифицированный цитозин
  • N4-метилцитозин
  • 5-карбоксилцитозин
  • 5-формилцитозин
  • 5-гликозилгидроксиметилцитозин
  • 5-гидроксицитозин
  • 5-метилцитозин
• Модифицированный тимидин
  • α-глутамитимидин
  • α-Putrescinylthymine
• Урацил и модификации
  • База J
  • Урацил
  • 5-дигидроксипентаурацил
  • 5-гидроксиметилдезоксиурацил
• Другие
  • Дезоксиархеозин
  • 2,6-диаминопурин

Канавки

Двойные спиральные нити образуют основу ДНК. Другая двойная спираль может быть обнаружена в промежутках или канавках между прядями. Эти пустоты примыкают к парам оснований и могут обеспечивать сайт связывания . Поскольку пряди не расположены симметрично относительно друг друга, канавки имеют неодинаковый размер. Одна канавка, большая канавка, имеет ширину 22  ангстрем (Å), а другая, малая канавка, имеет ширину 12 Å. ^[24] Ширина большой канавки означает, что края оснований более доступны в большой канавке, чем в малой канавке. В результате белки, такие как факторы транскрипции, которые могут связываться с конкретными последовательностями в двухцепочечной ДНК, обычно контактируют со сторонами оснований, выставленных в большой бороздке.^[25] Эта ситуация варьируется в зависимости от необычных конформаций ДНК внутри клетки (см. Ниже) , но большие и второстепенные бороздки всегда называются так, чтобы отражать различия в размерах, которые будут видны, если ДНК скручивается обратно в обычную B-форму.

Базовая пара

В двойной спирали ДНК каждый тип азотистых оснований на одной цепи связывается только с одним типом азотистых оснований на другой цепи. Это называется дополнительным спариванием оснований . Пурины образуют водородные связи с пиримидинами, причем аденин связывается только с тимином по двум водородным связям, а цитозин связывается только с гуанином по трем водородным связям. Такое расположение двух нуклеотидов, связывающихся вместе по двойной спирали, называется парой оснований Уотсона-Крика. ДНК с высоким содержанием GC более стабильна, чем ДНК с низким содержанием GC. Пара оснований Хугстина - редкий вариант спаривания оснований. ^[26] Поскольку водородные связи не являются ковалентными, их можно относительно легко сломать и снова соединить. Таким образом, две нити ДНК в двойной спирали могут быть разорваны, как застежка-молния, под действием механической силы или высокой температуры . ^[27] В результате такой комплементарности пар оснований вся информация в двухцепочечной последовательности спирали ДНК дублируется на каждой цепи, что жизненно важно для репликации ДНК. Это обратимое и специфическое взаимодействие между комплементарными парами оснований имеет решающее значение для всех функций ДНК в организмах. ^[7]

оцДНК против дцДНК

Как отмечалось выше, большинство молекул ДНК на самом деле представляют собой две полимерные нити, спирально связанные нековалентными связями; эта двухцепочечная ( дцДНК ) структура поддерживается в основном за счет взаимодействия стэкинга внутрицепочечных оснований, которые являются наиболее сильными для стеков G, C. Две цепи могут разделиться - процесс, известный как плавление - с образованием двух молекул одноцепочечной ДНК ( оцДНК ). Плавление происходит при высокой температуре, низком уровне соли и высоком pH (низкий pH также плавит ДНК, но поскольку ДНК нестабильна из-за кислотной депуринизации, низкий pH используется редко).

Стабильность формы дцДНК зависит не только от содержания GC (% пар оснований G, C), но также от последовательности (поскольку укладка зависит от последовательности), а также длины (более длинные молекулы более стабильны). Стабильность можно измерить разными способами; распространенным способом является «температура плавления», которая представляет собой температуру, при которой 50% молекул ds превращаются в молекулы ss; температура плавления зависит от ионной силы и концентрации ДНК. В результате как процент пар оснований GC, так и общая длина двойной спирали ДНК определяют силу ассоциации между двумя цепями ДНК. Длинные спирали ДНК с высоким содержанием GC имеют более сильно взаимодействующие цепи, тогда как короткие спирали с высоким содержанием AT имеют более слабые взаимодействующие цепи. ^[28]В биологии части двойной спирали ДНК, которые должны легко разделяться, такие как коробка TATAAT Pribnow в некоторых промоторах , как правило, имеют высокое содержание AT, что облегчает разделение цепей. ^[29]

В лаборатории силу этого взаимодействия можно измерить, определив температуру, необходимую для разрыва половины водородных связей, их температуру плавления (также называемую значением T _m ). Когда все пары оснований в двойной спирали ДНК плавятся, цепи разделяются и существуют в растворе как две полностью независимые молекулы. Эти одноцепочечные молекулы ДНК не имеют единой общей формы, но некоторые конформации более стабильны, чем другие. ^[30]

Смысл и антисмысл

Последовательность ДНК называется «смысловой», если она такая же, как у копии информационной РНК, которая транслируется в белок. ^[31] Последовательность на противоположной цепи называется «антисмысловой» последовательностью. Как смысловые, так и антисмысловые последовательности могут существовать в разных частях одной и той же цепи ДНК (т.е. обе цепи могут содержать как смысловые, так и антисмысловые последовательности). Как у прокариот, так и у эукариот продуцируются антисмысловые последовательности РНК, но функции этих РНК не совсем ясны. ^[32] Одно из предположений состоит в том, что антисмысловые РНК участвуют в регуляции экспрессии генов посредством спаривания оснований РНК-РНК. ^[33]

Несколько последовательностей ДНК в прокариотах и ​​эукариотах и ​​больше в плазмидах и вирусах стирают различие между смысловыми и антисмысловыми цепями из-за перекрывающихся генов . ^[34] В этих случаях некоторые последовательности ДНК выполняют двойную функцию, кодируя один белок при считывании вдоль одной цепи и второй белок при считывании в противоположном направлении вдоль другой цепи. У бактерий это перекрытие может быть вовлечено в регуляцию транскрипции генов ^{[35], в} то время как у вирусов перекрывающиеся гены увеличивают объем информации, которая может быть закодирована в небольшом вирусном геноме. ^[36]

Суперспирализация

ДНК можно скрутить, как веревку, в процессе, называемом суперспирализацией ДНК . Когда ДНК находится в «расслабленном» состоянии, нить обычно окружает ось двойной спирали каждые 10,4 пары оснований, но если ДНК скручена, нити становятся более плотными или более свободными. ^[37] Если ДНК скручена в направлении спирали, это положительная суперспирализация, и основания удерживаются вместе более плотно. Если они скручены в противоположном направлении, это отрицательная сверхспирализация, и основания легче распадаются. В природе большая часть ДНК имеет небольшую отрицательную суперспирализацию, которая создается ферментами, называемыми топоизомеразами . ^[38]Эти ферменты также необходимы для снятия напряжения скручивания, возникающего в цепях ДНК во время таких процессов, как транскрипция и репликация ДНК . ^[39]

Альтернативные структуры ДНК

ДНК существует во многих возможных конформациях, которые включают формы A-ДНК , B-ДНК и Z-ДНК , хотя только B-ДНК и Z-ДНК наблюдались непосредственно в функциональных организмах. ^[14] Конформация, которую принимает ДНК, зависит от уровня гидратации, последовательности ДНК, количества и направления суперспирализации, химических модификаций оснований, типа и концентрации ионов металлов , а также присутствия полиаминов в растворе. ^[40]

В первых опубликованных отчетах о рентгенограммах A-ДНК, а также о B-ДНК использовались анализы, основанные на преобразованиях Паттерсона, которые предоставили лишь ограниченный объем структурной информации для ориентированных волокон ДНК. ^{[41] [42]} Альтернативный анализ был предложен Wilkins et al. в 1953 г. для картин дифракции рассеяния рентгеновских лучей B-ДНК in vivo высокогидратированных волокон ДНК в терминах квадратов функций Бесселя . ^[43] В том же журнале Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик представили свое молекулярное моделирование.анализ дифрактограмм ДНК, чтобы предположить, что структура была двойной спиралью. ^[9]

Хотя форма B-ДНК наиболее распространена в условиях, встречающихся в клетках, ^[44] это не четко определенная конформация, а семейство родственных конформаций ДНК ^[45], которые возникают при высоких уровнях гидратации, присутствующих в клетках. Соответствующие им картины дифракции рентгеновских лучей и рассеяния характерны для молекулярных паракристаллов со значительной степенью беспорядка. ^{[46] [47]}

По сравнению с B-ДНК форма A-ДНК представляет собой более широкую правую спираль с мелкой широкой малой бороздкой и более узкой и глубокой большой бороздкой. Форма A встречается в нефизиологических условиях в частично дегидратированных образцах ДНК, тогда как в клетке она может образовываться в гибридных парах ДНК и цепей РНК, а также в комплексах фермент-ДНК. ^{[48] [49]} Сегменты ДНК, основания которых были химически модифицированы путем метилирования, могут претерпеть более сильные изменения в конформации и принять Z-форму . Здесь нити вращаются вокруг оси спирали по левой спирали, противоположной более распространенной форме B. ^[50]Эти необычные структуры могут распознаваться специфическими белками, связывающими Z-ДНК, и могут участвовать в регуляции транскрипции. ^[51] Исследование 2020 года пришло к выводу, что ДНК стала правосторонней из-за ионизации космическими лучами . ^[52]

Альтернативная химия ДНК

В течение многих лет экзобиологи предполагали существование теневой биосферы , постулируемой микробной биосферы Земли, в которой используются совершенно иные биохимические и молекулярные процессы, чем в известной в настоящее время жизни. Одним из предложений было существование форм жизни, которые используют мышьяк вместо фосфора в ДНК . В 2010 году был объявлен отчет о возможности наличия у бактерии GFAJ-1 ^{[53] [54],} хотя результаты исследования были оспорены, ^{[54] [55],} и данные свидетельствуют о том, что бактерия активно предотвращает включение мышьяка в основную цепь ДНК. и другие биомолекулы. ^[56]

Квадруплексные конструкции

На концах линейных хромосом находятся специализированные участки ДНК, называемые теломерами . Основная функция этих областей - позволить клетке реплицировать концы хромосом с помощью фермента теломеразы , поскольку ферменты, которые обычно реплицируют ДНК, не могут копировать крайние 3'-концы хромосом. ^[57] Эти специализированные хромосомные крышки также помогают защитить концы ДНК и не позволяют системам репарации ДНК в клетке рассматривать их как повреждения, которые необходимо исправить. ^[58] В клетках человека теломеры обычно представляют собой отрезки одноцепочечной ДНК, содержащие несколько тысяч повторов простой последовательности TTAGGG. ^[59]

Эти богатые гуанином последовательности могут стабилизировать концы хромосом, образуя структуры из наборов из четырех оснований, а не обычные пары оснований, обнаруживаемые в других молекулах ДНК. Здесь четыре гуаниновых основания, известные как гуаниновая тетрада , образуют плоскую пластину. Эти плоские блоки с четырьмя базами затем складываются друг на друга, образуя стабильную структуру G-квадруплекса . ^[61] Эти структуры стабилизируются водородными связями между краями оснований и хелатированием иона металла в центре каждого четырехосновного элемента. ^[62] Также могут быть сформированы другие структуры, с центральным набором из четырех оснований, исходящих либо из одной нити, сложенной вокруг оснований, либо из нескольких различных параллельных нитей, каждая из которых вносит одну основу в центральную структуру.

В дополнение к этим сложенным друг другу структурам теломеры также образуют большие петлевые структуры, называемые петлями теломер или Т-петлями. Здесь одноцепочечная ДНК закручивается в длинный круг, стабилизированный белками, связывающими теломеры. ^[63] В самом конце Т-петли одноцепочечная теломерная ДНК удерживается на участке двухцепочечной ДНК теломерной цепью, нарушая двухспиральную ДНК и спаривание оснований с одной из двух цепей. Эта трехцепочечная структура называется петлей смещения или D-петлей . ^[61]

Разветвленная ДНК

В ДНК изнашивание происходит, когда на конце комплементарной двойной цепи ДНК существуют некомплементарные области. Однако разветвленная ДНК может возникать, если вводится третья цепь ДНК, и она содержит соседние области, способные гибридизоваться с потрепанными областями ранее существовавшей двойной цепи. Хотя простейший пример разветвленной ДНК включает только три цепи ДНК, также возможны комплексы, включающие дополнительные цепи и несколько ответвлений. ^[64] Разветвленную ДНК можно использовать в нанотехнологиях для построения геометрических фигур, см. Раздел об использовании в технологии ниже.

Искусственные основы

Было синтезировано несколько искусственных азотистых оснований, которые успешно включены в аналог ДНК из восьми оснований, названный ДНК Хатимоджи . Названные S, B, P и Z, эти искусственные основания способны связываться друг с другом предсказуемым образом (S – B и P – Z), поддерживать структуру двойной спирали ДНК и транскрибироваться в РНК. Их существование можно рассматривать как указание на то, что нет ничего особенного в четырех естественных нуклеиновых основаниях, которые возникли на Земле. ^{[65] [66]} С другой стороны, ДНК тесно связана с РНК.который не только действует как транскрипт ДНК, но также выполняет многие задачи в клетках как молекулярные машины. Для этого его нужно сложить в конструкцию. Было показано , что позволит создать все возможные структуры по крайней мере , четыре основания , необходимые для соответствующей РНК , ^[67] в то время как большее количество также возможно , но это было бы против естественного принципа наименьших усилий .

Химические модификации и измененная упаковка ДНК

Базовые модификации и упаковка ДНК

На экспрессию генов влияет то, как ДНК упакована в хромосомы в структуру, называемую хроматином . Базовые модификации могут быть вовлечены в упаковке, с областями , которые имеют низкий или экспрессию гена , как правило , не содержащую высокие уровни метилирования из цитозина оснований. Упаковка ДНК и ее влияние на экспрессию генов также может происходить путем ковалентных модификаций ядра гистонового белка, вокруг которого ДНК обернута в структуре хроматина, или путем ремоделирования, осуществляемого комплексами ремоделирования хроматина (см. Ремоделирование хроматина ). Кроме того, существует перекрестное взаимодействие между метилированием ДНК и модификацией гистонов, поэтому они могут согласованно влиять на экспрессию хроматина и генов.^[68]

Например, метилирование цитозина дает 5-метилцитозин , который важен для X-инактивации хромосом. ^[69] Средний уровень метилирования варьируется между организмами - червь Caenorhabditis elegans не имеет метилирования цитозина, в то время как позвоночные имеют более высокие уровни, причем до 1% их ДНК содержит 5-метилцитозин. ^[70] Несмотря на важность 5-метилцитозина, он может дезаминировать, оставляя тиминовое основание, поэтому метилированные цитозины особенно подвержены мутациям . ^[71] Другие модификации оснований включают метилирование аденина в бактериях, присутствие 5-гидроксиметилцитозина.в головном мозге , ^[72] и гликозилирование урацила , чтобы произвести «J-основание» в кинетопластиды . ^{[73] [74]}

Повреждать

ДНК может быть повреждена многими видами мутагенов , которые изменяют последовательность ДНК . Мутагены включают окислители , алкилирующие агенты, а также высокоэнергетическое электромагнитное излучение, такое как ультрафиолетовый свет и рентгеновские лучи . Тип повреждения ДНК зависит от типа мутагена. Например, ультрафиолетовый свет может повредить ДНК, образуя димеры тимина , которые являются поперечными связями между пиримидиновыми основаниями. ^[76] С другой стороны, окислители, такие как свободные радикалы или перекись водородавызывают множественные формы повреждений, включая модификации оснований, особенно гуанозина, и двухцепочечные разрывы. ^[77] Типичная клетка человека содержит около 150 000 оснований, поврежденных окислением. ^[78] Из этих окислительных повреждений наиболее опасными являются двухцепочечные разрывы, так как они трудно поддаются восстановлению и могут вызывать точечные мутации , вставки , делеции в последовательности ДНК и хромосомные транслокации . ^[79] Эти мутации могут вызывать рак . Из-за ограничений, присущих механизмам восстановления ДНК, если бы люди жили достаточно долго, у всех в конечном итоге разовьется рак. ^{[80] [81]}Повреждения ДНК, которые происходят в природе , из-за нормальных клеточных процессов, которые производят активные формы кислорода, гидролитической активности клеточной воды и т. Д., Также часто происходят. Хотя большая часть этих повреждений восстанавливается, в любой клетке могут оставаться некоторые повреждения ДНК, несмотря на действие процессов восстановления. Эти оставшиеся повреждения ДНК накапливаются с возрастом в постмитотических тканях млекопитающих. Это накопление, по-видимому, является важной первопричиной старения. ^{[82] [83] [84]}

Многие мутагены помещаются в пространство между двумя соседними парами оснований, это называется интеркаляцией . Большинство интеркаляторов представляют собой ароматические и плоские молекулы; примеры включают бромид этидия , акридины , дауномицин и доксорубицин . Чтобы интеркалятор поместился между парами оснований, основания должны разделяться, искажая цепи ДНК за счет раскручивания двойной спирали. Это подавляет как транскрипцию, так и репликацию ДНК, вызывая токсичность и мутации. ^[85] В результате интеркаляторы ДНК могут быть канцерогенами , а в случае талидомида - тератогеном . ^[86] Другие, такие как бензо [а ] эпоксид пирендиола и афлатоксин образуют аддукты ДНК, которые вызывают ошибки в репликации. ^[87] Тем не менее, из-за их способности подавлять транскрипцию и репликацию ДНК, другие подобные токсины также используются в химиотерапии для подавления быстрорастущих раковых клеток. ^[88]

Биологические функции

ДНК обычно встречается в виде линейных хромосом у эукариот и кольцевых хромосом у прокариот . Набор хромосом в клетке составляет ее геном ; геном человека имеет около 3 миллиардов пар оснований ДНК скомпонованы в 46 хромосом. ^[89] Информация, переносимая ДНК, хранится в последовательности частей ДНК, называемых генами . Передача инфекциигенетической информации в генах достигается за счет комплементарного спаривания оснований. Например, при транскрипции, когда клетка использует информацию в гене, последовательность ДНК копируется в комплементарную последовательность РНК за счет притяжения между ДНК и правильными нуклеотидами РНК. Обычно эта копия РНК затем используется для создания соответствующей белковой последовательности в процессе, называемом трансляцией , который зависит от того же взаимодействия между нуклеотидами РНК. Альтернативно клетка может просто копировать свою генетическую информацию в процессе, называемом репликацией ДНК . Подробности этих функций описаны в других статьях; здесь основное внимание уделяется взаимодействиям между ДНК и другими молекулами, которые обеспечивают функцию генома.

Гены и геномы

Геномная ДНК плотно и упорядоченно упаковывается в процессе, называемом конденсацией ДНК , чтобы соответствовать небольшим доступным объемам клетки. У эукариот ДНК расположена в ядре клетки , а небольшие количества - в митохондриях и хлоропластах . У прокариот ДНК содержится в теле неправильной формы в цитоплазме, называемом нуклеоидом . ^[90] Генетическая информация в геноме хранится в генах, и полный набор этой информации в организме называется его генотипом . Ген - это единица наследственности и участок ДНК, который влияет на определенные характеристики организма. Гены содержатоткрытая рамка считывания, которая может быть транскрибирована, и регуляторные последовательности, такие как промоторы и энхансеры , которые контролируют транскрипцию открытой рамки считывания.

У многих видов белок кодирует лишь небольшая часть общей последовательности генома . Например, только около 1,5% генома человека состоит из экзонов , кодирующих белок , при этом более 50% ДНК человека состоит из некодирующих повторяющихся последовательностей . ^[91] Причины наличия такого большого количества некодирующей ДНК в геномах эукариот и необычайные различия в размере генома или C-значении между видами представляют собой давнюю загадку, известную как « загадка C-ценности ». ^[92] Однако некоторые последовательности ДНК, которые не кодируют белок, могут кодировать функциональную некодирующую РНК.молекулы, которые участвуют в регуляции экспрессии генов . ^[93]

Некоторые некодирующие последовательности ДНК играют структурную роль в хромосомах. Теломеры и центромеры обычно содержат небольшое количество генов, но они важны для функции и стабильности хромосом. ^{[58] [95]} Распространенной формой некодирующей ДНК у людей являются псевдогены , которые представляют собой копии генов, которые были отключены в результате мутации. ^[96] Эти последовательности обычно представляют собой просто молекулярные окаменелости , хотя иногда они могут служить сырым генетическим материалом для создания новых генов в процессе их дупликации и дивергенции . ^[97]

Транскрипция и перевод

Ген - это последовательность ДНК, которая содержит генетическую информацию и может влиять на фенотип организма. Внутри гена последовательность оснований вдоль цепи ДНК определяет последовательность информационной РНК , которая затем определяет одну или несколько белковых последовательностей. Взаимосвязь между нуклеотидными последовательностями генов и аминокислотными последовательностями белков определяется правилами трансляции , известными под общим названием генетический код . Генетический код состоит из трехбуквенных «слов», называемых кодонами, образованных из последовательности из трех нуклеотидов (например, ACT, CAG, TTT).

При транскрипции кодоны гена копируются в информационную РНК с помощью РНК-полимеразы . Эта копия РНК затем декодируется рибосомой, которая считывает последовательность РНК путем спаривания оснований информационной РНК для переноса РНК , которая несет аминокислоты. Поскольку существует 4 основания в комбинации 3-буквенных, существует 64 возможных кодонов (4 ³  комбинаций). Они кодируют двадцать стандартных аминокислот , давая большинству аминокислот более одного возможного кодона. Есть также три «стоповых» или «бессмысленных» кодона, обозначающих конец кодирующей области; это кодоны TAA, TGA и TAG.

Репликация

Деление клеток необходимо для роста организма, но когда клетка делится, она должна реплицировать ДНК в своем геноме, чтобы две дочерние клетки имели ту же генетическую информацию, что и их родительские. Двухцепочечная структура ДНК обеспечивает простой механизм репликации ДНК . Здесь две нити разделяются, а затем комплементарная последовательность ДНК каждой нити воссоздается ферментом, называемым ДНК-полимеразой . Этот фермент создает комплементарную цепь, находя правильное основание посредством комплементарного спаривания оснований и прикрепляя его к исходной цепи. Поскольку ДНК-полимеразы могут удлинять цепь ДНК только в направлении от 5 'до 3', для копирования антипараллельных цепей двойной спирали используются различные механизмы.^[98] Таким образом, основание на старой цепи определяет, какое основание появляется на новой цепи, и в итоге клетка получает идеальную копию своей ДНК.

Внеклеточные нуклеиновые кислоты

Голая внеклеточная ДНК (еДНК), большая часть которой высвобождается в результате гибели клеток, почти повсеместна в окружающей среде. Его концентрация в почве может достигать 2 мкг / л, а в естественной водной среде может достигать 88 мкг / л. ^[99] Для еДНК были предложены различные возможные функции: она может участвовать в горизонтальном переносе генов ; ^[100] он может обеспечивать питательными веществами; ^[101] и может действовать как буфер для набора или титрования ионов или антибиотиков. ^[102] Внеклеточная ДНК действует как функциональный компонент внеклеточного матрикса в биопленках нескольких видов бактерий. Он может действовать как фактор распознавания, регулирующий прикрепление и распространение определенных типов клеток в биопленке;^[103] это может способствовать образованию биопленки; ^[104], и это может способствовать физической прочности биопленки и устойчивости к биологическому стрессу. ^[105]

Внеклеточная ДНК плода обнаруживается в крови матери, и ее можно секвенировать, чтобы получить большой объем информации о развивающемся плоде. ^[106]

Под названием экологической ДНК эДНК стала широко использоваться в естественных науках в качестве инструмента исследования экологии , мониторинга перемещений и присутствия видов в воде, воздухе или на суше, а также оценки биоразнообразия местности. ^{[107] [108]}

Взаимодействие с белками

Все функции ДНК зависят от взаимодействия с белками. Эти белковые взаимодействия могут быть неспецифическими, или белок может специфически связываться с одной последовательностью ДНК. Ферменты также могут связываться с ДНК, и из них особенно важны полимеразы, которые копируют последовательность оснований ДНК при транскрипции и репликации ДНК.

ДНК-связывающие белки

Структурные белки, связывающие ДНК, являются хорошо изученными примерами неспецифических ДНК-белковых взаимодействий. Внутри хромосом ДНК находится в комплексах со структурными белками. Эти белки организуют ДНК в компактную структуру, называемую хроматином . У эукариот эта структура включает связывание ДНК с комплексом небольших основных белков, называемых гистонами , тогда как у прокариот задействовано несколько типов белков. ^{[109] [110]} Гистоны образуют дискообразный комплекс, называемый нуклеосомой , который содержит два полных витка двухцепочечной ДНК, обернутой вокруг ее поверхности. Эти неспецифические взаимодействия образуются через основные остатки в гистонах, образуя ионные связи.к кислой сахарно-фосфатной основе ДНК и, таким образом, в значительной степени не зависят от последовательности оснований. ^[111] Химические модификации этих основных аминокислотных остатков включают метилирование , фосфорилирование и ацетилирование . ^[112] Эти химические изменения изменяют силу взаимодействия между ДНК и гистонами, делая ДНК более или менее доступной для факторов транскрипции и изменяя скорость транскрипции. ^[113] Другие неспецифические ДНК-связывающие белки в хроматине включают белки группы с высокой подвижностью, которые связываются с изогнутой или искаженной ДНК. ^[114]Эти белки важны для изгиба массивов нуклеосом и их упорядочения в более крупные структуры, составляющие хромосомы. ^[115]

Отдельной группой ДНК-связывающих белков являются ДНК-связывающие белки, которые специфически связывают одноцепочечную ДНК. У людей репликационный белок А является наиболее изученным членом этого семейства и используется в процессах, в которых двойная спираль разделяется, включая репликацию ДНК, рекомбинацию и репарацию ДНК. ^[116] Эти связывающие белки, по-видимому, стабилизируют одноцепочечную ДНК и защищают ее от образования петель или разрушения под действием нуклеаз .

Напротив, другие белки эволюционировали, чтобы связываться с определенными последовательностями ДНК. Наиболее интенсивно из них изучаются различные факторы транскрипции , которые представляют собой белки, регулирующие транскрипцию. Каждый фактор транскрипции связывается с одним конкретным набором последовательностей ДНК и активирует или ингибирует транскрипцию генов, которые имеют эти последовательности, близкие к их промоторам. Факторы транскрипции делают это двумя способами. Во-первых, они могут связываться с РНК-полимеразой, ответственной за транскрипцию, либо напрямую, либо через другие белки-медиаторы; это определяет местонахождение полимеразы на промоторе и позволяет ей начать транскрипцию. ^[118] Кроме того, факторы транскрипции могут связывать ферменты.которые модифицируют гистоны на промоторе. Это изменяет доступность матрицы ДНК для полимеразы. ^[119]

Поскольку эти ДНК-мишени могут встречаться по всему геному организма, изменения активности одного типа фактора транскрипции могут влиять на тысячи генов. ^[120] Следовательно, эти белки часто являются мишенями процессов передачи сигналов, которые контролируют реакции на изменения окружающей среды или клеточную дифференцировку и развитие. Специфичность взаимодействия этих факторов транскрипции с ДНК обусловлена ​​множественными контактами белков с краями оснований ДНК, что позволяет им «читать» последовательность ДНК. Большинство взаимодействий с основанием происходит в большой бороздке, где основания наиболее доступны. ^[25]

ДНК-модифицирующие ферменты

Нуклеазы и лигазы

Нуклеазы являются ферменты , которые вырезать нити ДНК путем катализировать гидролиз из фосфодиэфирных связей . Нуклеазы, гидролизующие нуклеотиды на концах цепей ДНК, называются экзонуклеазами , а эндонуклеазы разрезаются внутри цепей. Наиболее часто используемые нуклеазы в молекулярной биологии - это эндонуклеазы рестрикции , которые разрезают ДНК по определенным последовательностям. Например, фермент EcoRV, показанный слева, распознает последовательность из 6 оснований 5'-GATATC-3 'и делает разрез на горизонтальной линии. В природе эти ферменты защищают бактерии от фагов.инфекция путем переваривания ДНК фага, когда она попадает в бактериальную клетку, действуя как часть системы рестрикционной модификации . ^[122] В технологии эти специфичные для последовательности нуклеазы используются при молекулярном клонировании и снятии отпечатков пальцев ДНК .

Ферменты, называемые ДНК-лигазами, могут присоединяться к разрезанным или разорванным цепям ДНК. ^[123] Лигазы особенно важны в репликации отстающей нити ДНК, поскольку они объединяют короткие сегменты ДНК, образующиеся в репликационной вилке, в полную копию ДНК-матрицы. Они также используются при репарации ДНК и генетической рекомбинации . ^[123]

Топоизомеразы и геликазы

Топоизомеразы - это ферменты, обладающие как нуклеазной, так и лигазной активностью. Эти белки изменяют степень суперспирализации ДНК. Некоторые из этих ферментов работают, разрезая спираль ДНК и позволяя одной секции вращаться, тем самым снижая уровень ее суперспирализации; фермент затем запечатывает разрыв ДНК. ^[38] Другие типы этих ферментов способны разрезать одну спираль ДНК, а затем пропускать вторую цепь ДНК через этот разрыв, прежде чем воссоединиться со спиралью. ^[124] Топоизомеразы необходимы для многих процессов с участием ДНК, таких как репликация ДНК и транскрипция. ^[39]

Геликазы - это белки, которые представляют собой тип молекулярного мотора . Они используют химическую энергию нуклеозидтрифосфатов , преимущественно аденозинтрифосфата (АТФ), для разрыва водородных связей между основаниями и раскручивания двойной спирали ДНК на одиночные нити. ^[125] Эти ферменты необходимы для большинства процессов, где ферментам необходим доступ к основаниям ДНК.

Полимеразы

Полимеразы - это ферменты, которые синтезируют полинуклеотидные цепи из нуклеозидтрифосфатов . Последовательность их продуктов создается на основе существующих полинуклеотидных цепей, которые называются шаблонами . Эти ферменты функционируют, многократно добавляя нуклеотид к 3'- гидроксильной группе в конце растущей полинуклеотидной цепи. Как следствие, все полимеразы действуют в направлении от 5 'до 3'. ^[126] В активном центре этих ферментов входящие пары оснований нуклеозидтрифосфата в матрицу: это позволяет полимеразам точно синтезировать комплементарную цепь своей матрицы. Полимеразы классифицируются по типу используемого шаблона.

При репликации ДНК ДНК-зависимые ДНК-полимеразы создают копии полинуклеотидных цепей ДНК. Для сохранения биологической информации важно, чтобы последовательность оснований в каждой копии была точно комплементарной последовательности оснований в цепи матрицы. Многие ДНК-полимеразы обладают корректирующей активностью. Здесь полимераза распознает случайные ошибки в реакции синтеза из-за отсутствия спаривания оснований между несовпадающими нуклеотидами. Если обнаруживается несоответствие, активируется 3'-5'- экзонуклеазная активность и неправильное основание удаляется. ^[127] У большинства организмов ДНК-полимеразы функционируют в виде большого комплекса, называемого реплисомой, который содержит множество дополнительных субъединиц, таких какЗажим ДНК или геликазы . ^[128]

РНК-зависимые ДНК-полимеразы представляют собой специализированный класс полимераз, которые копируют последовательность цепи РНК в ДНК. Они включают обратную транскриптазу , вирусный фермент, участвующий в инфицировании клеток ретровирусами , и теломеразу , которая необходима для репликации теломер. ^{[57] [129]} Например, обратная транскриптаза ВИЧ - это фермент для репликации вируса СПИДа. ^[129] Теломераза - необычная полимераза, потому что она содержит собственную матрицу РНК как часть своей структуры. Он синтезирует теломерына концах хромосом. Теломеры предотвращают слияние концов соседних хромосом и защищают концы хромосом от повреждений. ^[58]

Транскрипция осуществляется ДНК-зависимой РНК-полимеразой, которая копирует последовательность цепи ДНК в РНК. Чтобы начать транскрибирование гена, РНК-полимераза связывается с последовательностью ДНК, называемой промотором, и разделяет цепи ДНК. Затем он копирует последовательность гена в транскрипт информационной РНК, пока не достигнет области ДНК, называемой терминатором , где она останавливается и отделяется от ДНК. Как и в случае ДНК-зависимых ДНК-полимераз человека, РНК-полимераза II , фермент, транскрибирующий большинство генов в геноме человека, действует как часть большого белкового комплекса с множеством регуляторных и вспомогательных субъединиц. ^[130]

Генетическая рекомбинация

Спираль ДНК обычно не взаимодействует с другими сегментами ДНК, а в клетках человека разные хромосомы даже занимают отдельные области в ядре, называемые « территориями хромосом ». ^[132] Это физическое разделение различных хромосом важно для способности ДНК функционировать как стабильное хранилище информации, поскольку один из немногих случаев взаимодействия хромосом - это хромосомный кроссовер, который происходит во время полового размножения , когда происходит генетическая рекомбинация . Хромосомный кроссовер - это когда две спирали ДНК разрываются, меняют местами участок и затем снова соединяются.

Рекомбинация позволяет хромосомам обмениваться генетической информацией и производить новые комбинации генов, что увеличивает эффективность естественного отбора и может иметь важное значение для быстрой эволюции новых белков. ^[133] Генетическая рекомбинация также может участвовать в репарации ДНК, особенно в ответе клетки на двухцепочечные разрывы. ^[134]

Наиболее распространенной формой хромосомного кроссовера является гомологичная рекомбинация , при которой две участвующие хромосомы имеют очень похожие последовательности. Негомологичная рекомбинация может повредить клетки, так как она может вызвать хромосомные транслокации и генетические аномалии. Реакция рекомбинации катализируется ферментами, известными как рекомбиназы , такими как RAD51 . ^[135] Первым этапом рекомбинации является двухцепочечный разрыв, вызванный либо эндонуклеазой, либо повреждением ДНК. ^[136] Затем серия шагов, частично катализируемых рекомбиназой, приводит к соединению двух спиралей по крайней мере одним соединением Холлидея., в котором сегмент одной нити в каждой спирали отжигается с комплементарной цепью в другой спирали. Соединение Холлидея - это тетраэдрическая структура соединения, которую можно перемещать вдоль пары хромосом, заменяя одну нить на другую. Затем реакцию рекомбинации останавливают расщеплением соединения и повторным лигированием высвободившейся ДНК. ^[137] Во время рекомбинации ДНК меняют только цепи одинаковой полярности. Существует два типа расщепления: расщепление восток-запад и расщепление север-юг. Расщепление север-юг разрезает обе нити ДНК, тогда как расщепление восток-запад сохраняет одну нить ДНК нетронутой. Образование соединения Холлидея во время рекомбинации делает возможным генетическое разнообразие, обмен генами на хромосомах и экспрессию вирусных геномов дикого типа.

Эволюция

ДНК содержит генетическую информацию, которая позволяет всем формам жизни функционировать, расти и воспроизводиться. Однако неясно, как долго за 4 миллиарда лет истории жизни ДНК выполняла эту функцию, поскольку было высказано предположение, что самые ранние формы жизни могли использовать РНК в качестве своего генетического материала. ^{[138] [139]} РНК могла выступать в качестве центральной части раннего клеточного метаболизма, поскольку она может как передавать генетическую информацию, так и осуществлять катализ в составе рибозимов . ^[140] Этот древний мир РНК, где нуклеиновые кислоты использовались как для катализа, так и для генетики, возможно, повлияли на эволюциюсовременного генетического кода на основе четырех нуклеотидных оснований. Это могло бы произойти, поскольку количество различных оснований в таком организме представляет собой компромисс между небольшим количеством оснований, увеличивающим точность репликации, и большим количеством оснований, повышающих каталитическую эффективность рибозимов. ^[141] Однако нет прямых доказательств существования древних генетических систем, поскольку восстановление ДНК из большинства окаменелостей невозможно, потому что ДНК выживает в окружающей среде менее одного миллиона лет и медленно распадается на короткие фрагменты в растворе. ^[142] Заявления о более древней ДНК были сделаны, в первую очередь сообщение об изоляции жизнеспособной бактерии из кристалла соли 250 миллионов лет, ^[143] но эти утверждения являются спорными. ^{[144] [145]}

Строительные блоки ДНК ( аденин , гуанин и родственные органические молекулы ) могли быть сформированы внеземными цивилизациями в космическом пространстве . ^{[146] [147] [148]} Комплекс ДНК и РНК органические соединения из жизни , в том числе урацила , цитозина и тимина , также были сформированы в лаборатории в условиях , имитирующих те , что в космическом пространстве , с использованием исходных химических веществ, такие как пиримидин , найдено в метеоритах . Пиримидин, как полициклические ароматические углеводороды(ПАУ), наиболее богатое углеродом химическое вещество во Вселенной , возможно, образовалось в красных гигантах или в межзвездных облаках космической пыли и газа. ^[149]

В феврале 2021 года ученые впервые сообщили о секвенировании ДНК останков животных , в данном случае мамонта, возрастом более миллиона лет, - самой старой ДНК, секвенированной на сегодняшний день. ^{[150] [151]}

Использование в технологии

Генная инженерия

Были разработаны методы очистки ДНК от организмов, такие как экстракция фенол-хлороформ , и манипуляции с ней в лаборатории, такие как рестрикционные расщепления и полимеразная цепная реакция . Современная биология и биохимия интенсивно используют эти методы в технологии рекомбинантных ДНК. Рекомбинантная ДНК - это последовательность ДНК, созданная человеком, которая была собрана из других последовательностей ДНК. Они могут быть трансформированы в организмы в форме плазмид или в соответствующем формате с использованием вирусного вектора . ^[152] генетически модифицированныеорганизмы , полученные может быть использовано для получения продуктов , таких как рекомбинантные белки , используемых в медицинских исследованиях , ^[153] или быть выращены в сельском хозяйстве . ^{[154] [155]}

ДНК-профилирование

Судебно-медицинские эксперты могут использовать ДНК крови , спермы , кожи , слюны или волос, обнаруженных на месте преступления, чтобы идентифицировать совпадающую ДНК человека, например преступника. ^[156] Этот процесс формально называется профилированием ДНК , также называемым дактилоскопией ДНК . При профилировании ДНК между людьми сравнивается длина различных участков повторяющейся ДНК, таких как короткие тандемные повторы и минисателлиты . Этот метод обычно является чрезвычайно надежным методом выявления совпадающей ДНК. ^[157]Однако идентификация может быть затруднена, если место происшествия заражено ДНК нескольких человек. ^[158] ДНК , профилирование был разработан в 1984 году британский генетик сэр Алек Джеффрис , ^[159] и впервые использована в криминалистике обличить Питчфорк в 1988 убийствах Эндерби случае. ^[160]

Развитие судебной медицины и возможность теперь получать генетическое соответствие на мельчайших образцах крови, кожи, слюны или волос привели к пересмотру многих случаев. Теперь могут быть обнаружены доказательства, которые были невозможны с научной точки зрения во время первоначального исследования. В сочетании с отменой закона о двойной ответственности в некоторых местах это может позволить возобновить дела, если предыдущие судебные процессы не смогли предоставить достаточных доказательств, чтобы убедить присяжных. Людей, обвиняемых в серьезных преступлениях, могут попросить предоставить образец ДНК для сопоставления. Наиболее очевидная защита от совпадений ДНК, полученных судебно-медицинскими методами, - это утверждение о перекрестном заражении улик. Это привело к тщательно продуманным и строгим процедурам рассмотрения новых случаев серьезных преступлений.

ДНК-профилирование также успешно используется для точной идентификации жертв массовых несчастных случаев ^[161], тел или частей тел в серьезных авариях, а также отдельных жертв в массовых военных захоронениях путем сопоставления с членами семьи.

ДНК-профилирование также используется в ДНК-тестировании отцовства, чтобы определить, является ли кто-либо биологическим родителем или бабушкой или дедушкой ребенка с вероятностью отцовства обычно 99,99%, когда предполагаемый родитель биологически связан с ребенком. Обычные методы секвенирования ДНК применяются после рождения ребенка, но есть новые методы проверки отцовства, когда мать еще беременна. ^[162]

Ферменты ДНК или каталитическая ДНК

Дезоксирибозимы , также называемые ДНКзимами или каталитической ДНК, были впервые обнаружены в 1994 году. ^[163] Они в основном представляют собой одноцепочечные последовательности ДНК, выделенные из большого пула случайных последовательностей ДНК с помощью комбинаторного подхода, называемого отбором in vitro или систематической эволюцией лигандов путем экспоненциального обогащения. (SELEX). ДНКзимы катализируют различные химические реакции, включая расщепление РНК-ДНК, лигирование РНК-ДНК, фосфорилирование-дефосфорилирование аминокислот, образование углерод-углеродных связей и т. Д. ДНКзимы могут увеличивать каталитическую скорость химических реакций до 100000000000 раз по сравнению с некаталитической реакцией. ^[164]Наиболее широко изученный класс ДНКзимов - это типы, расщепляющие РНК, которые использовались для обнаружения различных ионов металлов и создания терапевтических агентов. Сообщалось о нескольких металлоспецифичных ДНКзимах, включая ДНКзим GR-5 (специфический для свинца), ^[163] ДНКзим CA1-3 (медьспецифический), ^[165] ДНКзим 39E (специфичный для уранила) и ДНКзим NaA43 ( натрий-специфический). ^[166] ДНКзим NaA43, который, как сообщается, более чем в 10 000 раз селективен к натрию по сравнению с ионами других металлов, был использован для создания сенсора натрия в клетках в реальном времени.

Биоинформатика

Биоинформатика включает в себя разработку методов хранения, сбора данных , поиска и обработки биологических данных, включая данные о последовательностях нуклеиновых кислот ДНК . Это привело к широко применяемым достижениям в области информатики , особенно алгоритмов поиска строк , машинного обучения и теории баз данных . ^[167] Для поиска конкретных последовательностей нуклеотидов были разработаны алгоритмы поиска строк или сопоставления, которые находят вхождение последовательности букв внутри более крупной последовательности букв. ^[168] Последовательность ДНК может быть выровнена с другими последовательностями ДНК для идентификациигомологичные последовательности и найдите конкретные мутации, которые делают их отличными. Эти методы, особенно множественное выравнивание последовательностей , используются для изучения филогенетических отношений и функции белков. ^[169] Наборы данных, представляющие ценность последовательностей ДНК целого генома, например, полученные в рамках Human Genome Project , трудно использовать без аннотаций, которые определяют расположение генов и регуляторных элементов на каждой хромосоме. Области последовательности ДНК, которые имеют характерные паттерны, связанные с генами, кодирующими белки или РНК, могут быть идентифицированы с помощью алгоритмов поиска генов , которые позволяют исследователям предсказывать наличие определенныхгенные продукты и их возможные функции в организме еще до того, как они были выделены экспериментально. ^[170] Также можно сравнивать целые геномы, что может пролить свет на эволюционную историю конкретного организма и позволить исследовать сложные эволюционные события.

ДНК-нанотехнологии

Нанотехнология ДНК использует уникальные свойства молекулярного распознавания ДНК и других нуклеиновых кислот для создания самособирающихся разветвленных комплексов ДНК с полезными свойствами. ^[171] Таким образом, ДНК используется как структурный материал, а не как носитель биологической информации. Это привело к созданию двумерных периодических решеток (как из плиток, так и с использованием метода ДНК-оригами ) и трехмерных структур в форме многогранников . ^[172] Наномеханические устройства и алгоритмическая самосборка также были продемонстрированы, ^[173] и эти структуры ДНК были использованы для создания шаблона расположения других молекул, таких какнаночастицы золота и белки стрептавидина . ^[174]

История и антропология

Поскольку ДНК собирает мутации с течением времени, которые затем передаются по наследству, она содержит историческую информацию, и, сравнивая последовательности ДНК, генетики могут сделать выводы об эволюционной истории организмов, их филогенезе . ^[175] Эта область филогенетики - мощный инструмент эволюционной биологии . Если сравнить последовательности ДНК внутри вида, популяционные генетики могут узнать историю конкретных популяций. Это может быть использовано в различных исследованиях, от экологической генетики до антропологии .

Хранение информации

ДНК как устройство хранения информации имеет огромный потенциал, поскольку она имеет гораздо более высокую плотность хранения по сравнению с электронными устройствами. Однако высокая стоимость, чрезвычайно медленное время чтения и записи ( задержка памяти ) и недостаточная надежность препятствовали его практическому использованию. ^{[176] [177]}

История

ДНК была впервые выделена швейцарским врачом Фридрихом Мишером, который в 1869 году обнаружил микроскопическое вещество в гноях выброшенных хирургических повязок. Поскольку он находился в ядрах клеток, он назвал его «нуклеином». ^{[178] [179]} В 1878 году Альбрехт Коссель выделил небелковый компонент «нуклеина», нуклеиновой кислоты, а позже выделил пять его основных азотистых оснований . ^{[180] [181]}

В 1909 году Фебус Левен идентифицировал основание, сахар и фосфатно-нуклеотидную единицу РНК (затем названную «нуклеиновой кислотой дрожжей»). ^{[182] [183] [184]} В 1929 году Левен идентифицировал сахар дезоксирибозы в «нуклеиновой кислоте тимуса» (ДНК). ^[185] Левен предположил, что ДНК состоит из цепочки из четырех нуклеотидных единиц, связанных друг с другом через фосфатные группы («тетрануклеотидная гипотеза»). Левен думал, что цепь короткая, а основания повторяются в фиксированном порядке. В 1927 году Николай Кольцов предположил, что унаследованные черты будут унаследованы через «гигантскую наследственную молекулу», состоящую из «двух зеркальных цепей, которые будут воспроизводиться полуконсервативным образом, используя каждую цепочку в качестве шаблона».^{[186] [187]}В 1928 году Фредерик Гриффит в своем эксперименте обнаружил, что черты «гладкой» формы пневмококка могут быть переданы «грубой» форме тех же бактерий путем смешивания убитых «гладких» бактерий с живой «грубой» формой. ^{[188] [189]} Эта система дала первое четкое предположение о том, что ДНК несет генетическую информацию.

В 1933 году, изучая яйца девственных морских ежей , Жан Брахе предположил, что ДНК находится в ядре клетки, а РНК присутствует исключительно в цитоплазме . В то время считалось, что «нуклеиновая кислота дрожжей» (РНК) встречается только в растениях, а «нуклеиновая кислота тимуса» (ДНК) - только у животных. Последний считался тетрамером с функцией буферизации клеточного pH. ^{[190] [191]}

В 1937 году Уильям Эстбери создал первые дифракционные рентгеновские лучи, которые показали, что ДНК имеет правильную структуру. ^[192]

В 1943 году Освальд Эйвери вместе с коллегами Колином МакЛаудом и Маклином Маккарти идентифицировали ДНК как трансформирующий принцип , поддерживая предположение Гриффита ( эксперимент Эйвери-Маклауда-Маккарти ). ^[193] В конце 1951 года, Фрэнсис Крик начал работать с Джеймсом Уотсоном в Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете . Роль ДНК в наследственности была подтверждена в 1952 году, когда Альфред Херши и Марта Чейз в эксперименте Херши-Чейза показали, что ДНК - этогенетический материал из энтеробактерий фага Т2 . ^[194]

В мае 1952 года Раймонд Гослинг , аспирант, работавший под руководством Розалинды Франклин , сделал рентгеновское изображение, обозначенное как « Фото 51 », ^[195] при высоких уровнях гидратации ДНК. Эта фотография была предоставлена ​​Уотсону и Крику Морисом Уилкинсом и имела решающее значение для получения правильной структуры ДНК. Франклин сказал Крику и Ватсону, что костяк должен быть снаружи. До этого у Линуса Полинга, Уотсона и Крика были ошибочные модели с цепями внутри и основанием, направленными наружу. Ее определение космической группы кристаллов ДНК показало Крику, что две цепи ДНК антипараллельны.. ^[196]

В феврале 1953 года Линус Полинг и Роберт Кори предложили модель нуклеиновых кислот, содержащую три переплетенные цепи, с фосфатами около оси и основаниями снаружи. ^[197] Уотсон и Крик завершили свою модель, которая теперь принята как первая правильная модель двойной спирали ДНК . 28 февраля 1953 года Крик прервал обеденный перерыв для посетителей в пабе Eagle в Кембридже, чтобы объявить, что они с Ватсоном «открыли секрет жизни». ^[198]

В выпуске журнала Nature от 25 апреля 1953 г. была опубликована серия из пяти статей, в которых приводилась структура ДНК Ватсона и Крика с двойной спиралью и подтверждающие ее доказательства. ^[199] О структуре сообщалось в письме, озаглавленном « МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА ЯДЕРНЫХ КИСЛОТ. Структура для нуклеиновой кислоты дезоксирибозы », в котором они сказали: «Наше внимание не ускользнуло от нашего внимания, что определенная пара, которую мы постулировали, сразу предполагает возможный механизм копирования. для генетического материала ". ^[9] Затем следует письмо Франклина и Гослинга, которое было первой публикацией их собственных данных дифракции рентгеновских лучей и их оригинального метода анализа. ^{[42] [200]}Затем последовало письмо Уилкинса и двух его коллег, в котором содержался анализ структуры рентгеновских лучей B-ДНК in vivo и поддерживалось присутствие in vivo структуры Уотсона и Крика. ^[43]

В 1962 году, после смерти Франклина, Уотсон, Крик и Уилкинс совместно получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине . ^[201] Нобелевские премии присуждаются только живым лауреатам. Продолжаются споры о том, кому следует признать открытие. ^[202]

В своей влиятельной презентации в 1957 году Крик изложил центральную догму молекулярной биологии , которая предсказала взаимосвязь между ДНК, РНК и белками, и сформулировал «гипотезу адаптера». ^[203] Окончательное подтверждение механизма репликации, подразумеваемого двойной спиральной структурой, за которой в 1958 году последовал эксперимент Мезельсона-Шталя . ^[204] Дальнейшая работа Крика и его сотрудников показала, что генетический код основан на неперекрывающихся триплетах оснований, называемых кодонами , что позволило Хар Гобинд Хорана , Роберту У. Холли и Маршаллу Уоррену Ниренбергу расшифровать генетический код. ^[205]Эти открытия представляют собой рождение молекулярной биологии . ^[206]

Смотрите также

Рекомендации