Дезоксирибонуклеиновая кислота ( / d iː ˈ ɒ k s ɪ ˌ r aɪ b oʊ nj uː ˌ k l iː ɪ k , - ˌ k l eɪ -/ ⓘ ;[1] ДНК) —полимер, состоящий из двухполинуклеотидныхцепей, которые скручиваются друг вокруг друга, образуядвойную спираль. Полимер несет в себегенетическиеинструкции для развития, функционирования, роста иразмножениявсех известныхорганизмови многихвирусов. ДНК ирибонуклеиновая кислота(РНК) являютсянуклеиновыми кислотами. Наряду сбелками,липидамии сложными углеводами (полисахаридами) нуклеиновые кислоты являются одним из четырех основных типовмакромолекул, необходимых для всех известных формжизни.
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 нуклеиновых оснований ( цитозин [C], гуанин [G], аденин [A] или тимин [T]), сахара , называемого дезоксирибозой , и фосфатной группы . Нуклеотиды соединяются друг с другом в цепь ковалентными связями (известными как фосфодиэфирная связь ) между сахаром одного нуклеотида и фосфатом следующего, в результате чего образуется чередующийся сахарофосфатный остов . Азотистые основания двух отдельных цепей полинуклеотида соединяются вместе в соответствии с правилами спаривания оснований (А с Т и С с G) водородными связями , образуя двухцепочечную ДНК. Комплементарные азотистые основания делятся на две группы: однокольцевые пиримидины и двухкольцевые пурины . В ДНК пиримидинами являются тимин и цитозин; пурины – аденин и гуанин.
Обе цепи двухцепочечной ДНК хранят одну и ту же биологическую информацию . Эта информация реплицируется , когда две нити разделяются. Большая часть ДНК (более 98% у человека) некодирует , а это означает, что эти участки не служат образцом для белковых последовательностей . Две нити ДНК идут в противоположных направлениях друг к другу и, таким образом, антипараллельны . К каждому сахару прикреплен один из четырех типов азотистых оснований (или оснований ). Именно последовательность этих четырех нуклеиновых оснований вдоль основной цепи кодирует генетическую информацию. Нити РНК создаются с использованием нитей ДНК в качестве матрицы в процессе, называемом транскрипцией , при котором основания ДНК заменяются соответствующими основаниями, за исключением тимина (Т), в котором РНК заменяет урацил (U). [4] Согласно генетическому коду , эти нити 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 протисты ) хранят большую часть своей ДНК внутри ядра клетки в виде ядерной ДНК , а часть — 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 . Внутри эукариотических хромосом белки хроматина , такие как гистоны , уплотняют и организуют ДНК. Эти уплотняющие структуры управляют взаимодействием между ДНК и другими белками, помогая контролировать, какие части ДНК транскрибируются.
ДНК представляет собой длинный полимер , состоящий из повторяющихся единиц, называемых нуклеотидами . [6] [7] Структура ДНК динамична по всей длине и способна скручиваться в плотные петли и принимать другие формы. [8] У всех видов он состоит из двух спиральных цепей, связанных друг с другом водородными связями . Обе цепочки намотаны вокруг одной оси и имеют одинаковый шаг 34 ангстрема (3,4 нм ). Пара цепей имеет радиус 10 Å (1,0 нм). [9] Согласно другому исследованию, при измерении в другом растворе ширина цепи ДНК составляла 22–26 Å (2,2–2,6 нм), а длина одной нуклеотидной единицы составляла 3,3 Å (0,33 нм). [10] Плавучая плотность большинства ДНК составляет 1,7 г/см 3 . [11]
ДНК обычно существует не в виде одной цепи, а в виде пары нитей, плотно скрепленных вместе. [9] [12] Эти две длинные нити скручиваются друг вокруг 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). Нуклеиновое 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 полинуклеотидом . [13]
Основа цепи ДНК состоит из чередующихся фосфатных и сахарных групп. [14] Сахаром в ДНК является 2-дезоксирибоза , которая представляет собой пентозный ( пятиуглеродный ) сахар. Сахара соединены фосфатными группами, которые образуют фосфодиэфирные связи между третьим и пятым атомами углерода соседних сахарных колец. Они известны как атомы углерода на 3'-конце (три простых конца) и 5'-конце (пять простых концов), причем штриховой символ используется для отличия этих атомов углерода от атомов основания, с которым дезоксирибоза образует гликозидную связь. . [12]
Следовательно, любая цепь ДНК обычно имеет один конец, на котором имеется фосфатная группа, присоединенная к 5'-углероду рибозы (5'-фосфорил), и другой конец, на котором имеется свободная гидроксильная группа, присоединенная к 3'-углероду рибозы. рибоза (3'-гидроксил). Ориентация 3'- и 5'-углеродов 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: нити антипараллельны . Говорят, что асимметричные концы нитей ДНК имеют направленность из пяти простых концов (5') и трех простых концов (3'), при этом 5'-конец имеет концевую фосфатную группу, а 3'-конец - концевую гидроксильную группу. Одним из основных различий между ДНК и РНК является сахар: 2-дезоксирибоза в ДНК заменена родственным пентозным сахаром рибозой в РНК. [12]
Двойная спираль ДНК стабилизируется в первую очередь двумя силами: водородными связями между нуклеотидами и взаимодействиями укладки оснований между ароматическими азотистыми основаниями. [16] В ДНК обнаружены четыре основания: аденин ( А ), цитозин ( С ), гуанин ( G ) и тимин ( Т ). Эти четыре основания присоединяются к сахарофосфату, образуя полный нуклеотид, как показано для аденозинмонофосфата . Аденин соединяется с тимином, а пары гуанина с цитозином, образуя пары оснований AT и GC . [17] [18]
Нуклеиновые основания делятся 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 кольце. Помимо РНК и ДНК, создано множество искусственных аналогов нуклеиновых кислот для изучения свойств нуклеиновых кислот или для использования в биотехнологии. [19]
Модифицированные основания встречаются в ДНК. Первым из них был признан 5-метилцитозин , который был обнаружен в геноме микобактерии туберкулеза в 1925 году. [20] Причина присутствия этих неканонических оснований в бактериальных вирусах ( бактериофагах ) заключается в том, чтобы избежать присутствия ферментов рестрикции, присутствующих в бактериях. 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]
Известно, что в ДНК встречается ряд неканонических оснований. [23] Большинство из них представляют собой модификации канонических оснований плюс урацил.
Двойные спиральные нити образуют основу ДНК. Еще одну двойную спираль можно обнаружить в промежутках или бороздках между нитями. Эти пустоты примыкают к парам оснований и могут обеспечивать место связывания . Поскольку пряди расположены несимметрично друг относительно друга, канавки имеют неодинаковый размер. Ширина основной бороздки составляет 22 ангстрема (2,2 нм), а ширина малой бороздки — 12 Å (1,2 нм). [24] Из-за большей ширины основной канавки края оснований более доступны в основной канавке, чем в малой. В результате белки, такие как факторы транскрипции , которые могут связываться со специфическими последовательностями двухцепочечной ДНК, обычно вступают в контакт со сторонами оснований, выступающими в большой бороздке. [25] Эта ситуация варьируется в зависимости от необычных конформаций ДНК внутри клетки (см. ниже) , но большие и малые бороздки всегда называются так, чтобы отразить различия в ширине, которые можно было бы увидеть, если бы ДНК была скручена обратно в обычную форму B.
В двойной спирали ДНК каждый тип нуклеиновых оснований на одной цепи связан только с одним типом нуклеиновых оснований на другой цепи. Это называется комплементарным спариванием оснований . Пурины образуют водородные связи с пиримидинами, при этом аденин связывается только с тимином двумя водородными связями, а цитозин - только с гуанином тремя водородными связями. Такое расположение двух нуклеотидов, связывающихся вместе поперек двойной спирали (от шестиуглеродного кольца к шестиуглеродному кольцу), называется парой оснований Уотсона-Крика. ДНК с высоким содержанием GC более стабильна, чем ДНК с низким содержанием GC . Пара оснований Хугстина (водородная связь между 6-углеродным кольцом и 5-углеродным кольцом) представляет собой редкий вариант спаривания оснований. [26] Поскольку водородные связи не являются ковалентными , их можно сравнительно легко разорвать и воссоединить. Таким образом, две нити ДНК в двойной спирали можно разорвать, как молнию, под действием механической силы или высокой температуры . [27] В результате комплементарности пар оснований вся информация в двухцепочечной последовательности спирали ДНК дублируется на каждой нити, 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]
Большинство молекул ДНК на самом деле представляют собой две полимерные цепи, связанные вместе спирально нековалентными связями; эта двухцепочечная структура (дцДНК) поддерживается в основном за счет взаимодействий внутрицепочечной укладки оснований, которые наиболее сильны для стеков G, C. Две нити могут расходиться — процесс, известный как плавление, — с образованием двух одноцепочечных молекул ДНК (оцДНК). Плавление происходит при высоких температурах, низком уровне соли и высоком pH (низкий pH также плавит ДНК, но поскольку ДНК нестабильна из-за кислотного депуринирования, 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 от длины (более длинные молекулы более стабильны). Стабильность можно измерить различными способами; распространенным способом является температура плавления (также называемая значением T m ), которая представляет собой температуру, при которой 50% двухцепочечных молекул превращаются в одноцепочечные молекулы; температура плавления зависит от ионной силы и концентрации ДНК. В результате именно процент пар оснований GC и общая длина двойной спирали ДНК определяют силу связи между двумя цепями ДНК. Длинные спирали ДНК с высоким содержанием GC имеют более прочно взаимодействующие цепи, тогда как короткие спирали с высоким содержанием АТ имеют более слабо взаимодействующие цепи. [28] В биологии части двойной спирали ДНК, которые должны легко разделяться, такие как блок Прибнова TATAAT в некоторых промоторах , имеют тенденцию иметь высокое содержание АТ , что облегчает разрыв цепей. [29]
В лаборатории силу этого взаимодействия можно измерить, найдя температуру плавления Tm , необходимую для разрыва половины водородных связей. Когда все пары оснований двойной спирали ДНК плавятся, нити разделяются и существуют в растворе как две совершенно независимые молекулы. Эти одноцепочечные молекулы ДНК не имеют единой общей формы, но некоторые конформации более стабильны, чем другие. [30]
У человека общий женский диплоидный ядерный геном на клетку простирается на 6,37 пар гигабаз (Гбп), имеет длину 208,23 см и вес 6,51 пикограмма (пг). [31] Мужские значения: 6,27 Гб, 205,00 см, 6,41 стр. [31] Каждый полимер ДНК может содержать сотни миллионов нуклеотидов, например, в хромосоме 1 . Хромосома 1 — самая крупная хромосома человека , содержащая примерно 220 миллионов пар оснований .Длина 85 мм в выпрямленном состоянии. [32]
У эукариот , помимо ядерной ДНК , имеется еще митохондриальная ДНК (мтДНК), которая кодирует определенные белки, используемые митохондриями. МтДНК обычно относительно мала по сравнению с ядерной ДНК. Например, митохондриальная ДНК человека образует замкнутые кольцевые молекулы, каждая из которых содержит 16 569 [33] [34] пар оснований ДНК, [35] причем каждая такая молекула в норме содержит полный набор митохондриальных генов. Каждая митохондрия человека содержит в среднем около 5 таких молекул мтДНК. [35] Каждая человеческая клетка содержит примерно 100 митохондрий, что дает общее количество молекул мтДНК на одну человеческую клетку около 500. [35] Однако количество митохондрий на клетку также варьируется в зависимости от типа клетки, и яйцеклетка может содержать 100 000 митохондрий. , что соответствует до 1 500 000 копий митохондриального генома (составляющего до 90% ДНК клетки). [36]
Последовательность ДНК называется «смысловой» последовательностью, если она совпадает с копией информационной РНК , которая транслируется в белок. [37] 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 эукариотов образуются антисмысловые последовательности РНК, однако функции этих РНК не совсем ясны. [38] Одно из предположений заключается в том, что антисмысловые РНК участвуют в регуляции экспрессии генов посредством спаривания оснований РНК-РНК. [39]
Некоторые последовательности ДНК у прокариот и эукариот, а также еще больше у плазмид и вирусов стирают различие между смысловыми и антисмысловыми цепями из-за наличия перекрывающихся генов . [40] В этих случаях некоторые последовательности ДНК выполняют двойную функцию: кодируют один белок при чтении по одной цепи и второй белок при чтении в противоположном направлении по другой цепи. У бактерий это перекрытие может участвовать в регуляции транскрипции генов [41] , тогда как у вирусов перекрывающиеся гены увеличивают количество информации, которая может быть закодирована в небольшом вирусном геноме. [42]
ДНК можно скручивать, как веревку, в процессе, называемом суперспирализацией ДНК . Когда ДНК находится в «расслабленном» состоянии, нить обычно обходит ось двойной спирали каждые 10,4 пары оснований, но если ДНК скручена, нити становятся более тугими или более свободными. [43] Если ДНК скручена в направлении спирали, это положительная сверхспирализация, и основания удерживаются вместе более плотно. Если их скрутить в противоположную сторону, это отрицательная сверхспирализация, и основания легче распадаются. В природе большая часть ДНК имеет небольшую отрицательную сверхспирализацию, вызываемую ферментами , называемыми топоизомеразами . [44] Эти ферменты также необходимы для снятия скручивающих напряжений, возникающих в цепях ДНК во время таких процессов, как транскрипция и репликация ДНК . [45]
ДНК существует во многих возможных конформациях , включая формы A-ДНК , B-ДНК и Z-ДНК , хотя непосредственно в функциональных организмах наблюдались только B-ДНК и Z-ДНК. [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. [46]
В первых опубликованных отчетах о рентгенограммах А-ДНК , а также B-ДНК, использовался анализ, основанный на функциях Паттерсона , который предоставил лишь ограниченное количество структурной информации для ориентированных волокон ДНК. [47] [48] Альтернативный анализ был предложен Wilkins et al. в 1953 году для получения картин дифракционного рассеяния рентгеновских лучей B-ДНК in vivo высокогидратированных волокон ДНК в виде квадратов функций Бесселя . [49] В том же журнале Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик представили свой анализ молекулярного моделирования рентгенограмм ДНК, предполагающий, что структура представляет собой двойную спираль. [9]
Хотя форма B-ДНК наиболее распространена в условиях, обнаруженных в клетках, [50] это не четко определенная конформация, а семейство родственных конформаций ДНК [51] , которые возникают при высоких уровнях гидратации, присутствующих в клетках. Соответствующие им рентгенограммы и картины рассеяния характерны для молекулярных паракристаллов со значительной степенью беспорядка. [52] [53]
По сравнению с B-ДНК, форма A-ДНК представляет собой более широкую правостороннюю спираль с неглубокой широкой малой бороздкой и более узкой и глубокой большой бороздкой. Форма А встречается в нефизиологических условиях в частично обезвоженных образцах ДНК, а в клетке может образовываться в гибридных парах цепей ДНК и РНК, а также в комплексах фермент-ДНК. [54] [55] Сегменты ДНК, в которых основания были химически модифицированы путем метилирования , могут претерпеть большее изменение конформации и принять Z-форму . Здесь нити поворачиваются вокруг винтовой оси по левой спирали, что противоположно более распространенной форме B. [56] Эти необычные структуры могут распознаваться специфическими белками, связывающими Z-ДНК, и могут участвовать в регуляции транскрипции. [57]
В течение многих лет экзобиологи предполагали существование теневой биосферы , постулируемой микробной биосферы Земли, которая использует радикально иные биохимические и молекулярные процессы, чем известная в настоящее время жизнь. Одним из предложений было существование форм жизни, использующих в ДНК мышьяк вместо фосфора . В 2010 году было объявлено о возможности существования у бактерии GFAJ-1 , [58] [59] , хотя результаты исследования оспаривались, [59] [60] и данные свидетельствуют о том, что бактерия активно предотвращает включение мышьяка в основу ДНК и другие биомолекулы. [61]
На концах линейных хромосом расположены 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. [63] Эти специализированные хромосомные колпачки также помогают защитить концы ДНК и не позволяют системам репарации ДНК в клетке рассматривать их как повреждение, которое необходимо исправить. [64] В клетках человека теломеры обычно представляют собой отрезки одноцепочечной ДНК, содержащие несколько тысяч повторов простой последовательности TTAGGG. [65]
Эти богатые гуанином последовательности могут стабилизировать концы хромосом, образуя структуры из сложенных друг на друга наборов из четырех оснований, а не обычных пар оснований, обнаруженных в других молекулах ДНК. Здесь четыре гуаниновых основания, известные как гуаниновая тетрада , образуют плоскую пластинку. Эти плоские четырехосновные единицы затем складываются друг на друга, образуя стабильную структуру G-квадруплекса . [66] Эти структуры стабилизируются за счет водородных связей между краями оснований и хелатирования иона металла в центре каждой четырехосновной единицы. [67] Также могут быть сформированы другие структуры, при этом центральный набор из четырех оснований происходит либо из одной цепи, сложенной вокруг оснований, либо из нескольких различных параллельных цепей, каждая из которых вносит одно основание в центральную структуру.
В дополнение к этим сложенным структурам теломеры также образуют большие петлевые структуры, называемые теломерными петлями или Т-петлями. Здесь одноцепочечная ДНК закручивается в длинный круг, стабилизированный белками, связывающими теломеры. [68] В самом конце Т-петли одноцепочечная теломерная ДНК удерживается на участке двухцепочечной ДНК с помощью нити теломер, разрушающей двухспиральную ДНК и спаривания оснований с одной из двух цепей. Эта трехцепочечная структура называется петлей смещения или D-петлей . [66]
В ДНК изнашивание происходит, когда некомплементарные области существуют на конце комплементарной в остальном двухцепочечной ДНК. Однако разветвленная ДНК может возникнуть, если введена третья цепь ДНК, которая содержит прилегающие области, способные гибридизоваться с потертыми областями ранее существовавшей двухцепочечной ДНК. Хотя простейший пример разветвленной ДНК включает только три цепи ДНК, возможны также комплексы, включающие дополнительные цепи и несколько ветвей. [69] Разветвленная ДНК может использоваться в нанотехнологиях для создания геометрических фигур, см. раздел об использовании в технологиях ниже.
Было синтезировано несколько искусственных нуклеиновых оснований, которые успешно включены в аналог ДНК из восьми оснований, названный ДНК Хатимодзи . Эти искусственные основания, получившие название S, B, P и Z, 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 в четырех природных азотистых основаниях, возникших на Земле, нет ничего особенного. [70] [71] С другой стороны, ДНК тесно связана с РНК , которая не только действует как транскрипт ДНК, но также выполняет в качестве молекулярных машин многие задачи в клетках. Для этого его необходимо сложить в конструкцию. Было показано, что для создания всех возможных структур для соответствующей РНК требуется как минимум четыре основания [72] , хотя возможно и большее число, но это противоречило бы естественному принципу наименьших усилий .
Фосфатные группы ДНК придают ей кислотные свойства, подобные фосфорной кислоте , и ее можно рассматривать как сильную кислоту . При нормальном клеточном pH он будет полностью ионизирован, высвобождая протоны , которые оставляют отрицательные заряды на фосфатных группах. Эти отрицательные заряды защищают ДНК от разрушения в результате гидролиза , отталкивая нуклеофилы , которые могут ее гидролизовать. [73]
.jpg/1280px-Estrazione_DNA_(cropped).jpg)
Чистая ДНК, извлеченная из клеток, образует белые тягучие комки. [74]
На экспрессию генов влияет то, как ДНК упакована в хромосомах, в структуре, называемой хроматином . Модификации оснований могут быть вовлечены в упаковку: области, которые имеют низкую экспрессию генов или вообще не экспрессируют ее, обычно содержат высокие уровни метилирования цитозиновых оснований . Упаковка ДНК и ее влияние на экспрессию генов могут также происходить за счет ковалентных модификаций ядра гистонового белка, вокруг которого ДНК обернута в структуре хроматина, или же за счет ремоделирования, осуществляемого комплексами ремоделирования хроматина (см. Ремоделирование хроматина ). Кроме того, между метилированием ДНК и модификацией гистонов существуют перекрестные помехи , поэтому они могут координировано влиять на хроматин и экспрессию генов. [75]
Например, метилирование цитозина приводит к образованию 5-метилцитозина , который важен для Х-инактивации хромосом. [76] Средний уровень метилирования варьируется между организмами: у червя Caenorhabditis elegans метилирование цитозина отсутствует, в то время как у позвоночных уровень метилирования выше: до 1% их ДНК содержит 5-метилцитозин. [77] Несмотря на важность 5-метилцитозина, он может дезаминироваться с образованием тиминового основания, поэтому метилированные цитозины особенно склонны к мутациям . [78] Другие модификации оснований включают метилирование аденина у бактерий, присутствие 5-гидроксиметилцитозина в мозге , [79] и гликозилирование урацила с образованием «J-основания» в кинетопластидах . [80] [81]
ДНК может быть повреждена многими видами мутагенов , которые изменяют последовательность ДНК . Мутагены включают окислители , алкилирующие агенты , а также высокоэнергетическое электромагнитное излучение, такое как ультрафиолетовое излучение и рентгеновские лучи . Тип повреждения ДНК зависит от типа мутагена. Например, ультрафиолетовый свет может повредить ДНК, образуя димеры тимина , которые представляют собой поперечные связи между пиримидиновыми основаниями. [83] С другой стороны, окислители, такие как свободные радикалы или перекись водорода, вызывают множественные формы повреждений, включая модификации оснований, особенно гуанозина, и двухцепочечные разрывы. [84] Типичная человеческая клетка содержит около 150 000 оснований, подвергшихся окислительному повреждению. [85] Из этих окислительных повреждений наиболее опасными являются двухцепочечные разрывы, поскольку их трудно восстановить и они могут вызывать точечные мутации , вставки , делеции из последовательности ДНК и хромосомные транслокации . [86] Эти мутации могут вызвать рак . Из-за присущих механизмам восстановления ДНК ограничений, если бы люди жили достаточно долго, у всех них в конечном итоге развился бы рак. [87] [88] Повреждения ДНК, возникающие естественным образом из-за нормальных клеточных процессов, которые производят активные формы кислорода, гидролитической активности клеточной воды и т. д., также происходят часто. Хотя большая часть этих повреждений восстанавливается, в любой клетке могут оставаться некоторые повреждения ДНК, несмотря на действие процессов репарации. Эти оставшиеся повреждения ДНК накапливаются с возрастом в постмитотических тканях млекопитающих. Это накопление, по-видимому, является важной основной причиной старения. [89] [90] [91]
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 мог разместиться между парами оснований, основания должны разделиться, искажая цепи ДНК за счет раскручивания двойной спирали. Это ингибирует как транскрипцию, так и репликацию ДНК, вызывая токсичность и мутации. [92] В результате интеркаляторы ДНК могут быть канцерогенами , а в случае талидомида — тератогеном . [93] Другие, такие как эпоксид бензо[ а ]пирендиола и афлатоксин , образуют аддукты ДНК, которые вызывают ошибки в репликации. [94] Тем не менее, из-за их способности ингибировать транскрипцию и репликацию ДНК, другие подобные токсины также используются в химиотерапии для подавления быстрорастущих раковых клеток. [95]
ДНК обычно встречается в виде линейных хромосом у эукариот и кольцевых хромосом у прокариот . Набор хромосом в клетке составляет ее геном ; Геном человека содержит около 3 миллиардов пар оснований ДНК, организованных в 46 хромосом. [96] Информация, которую несет ДНК, хранится в последовательности участков ДНК, называемых генами . Передача генетической информации в генах достигается за счет комплементарного спаривания оснований. Например, при транскрипции, когда клетка использует информацию, содержащуюся 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. Альтернативным способом клетка может 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 опосредуют функцию генома.
Геномная ДНК плотно и упорядоченно упаковывается в процессе, называемом конденсацией ДНК , чтобы соответствовать небольшим доступным объемам клетки. У эукариот ДНК расположена в ядре клетки , небольшое количество — в митохондриях и хлоропластах . У прокариот ДНК содержится в теле неправильной формы в цитоплазме, называемом нуклеоидом . [97] Генетическая информация в геноме хранится в генах, а полный набор этой информации в организме называется его генотипом . Ген — это единица наследственности и участок ДНК, влияющий на определенную характеристику организма. Гены содержат открытую рамку считывания , которую можно транскрибировать, а также регуляторные последовательности , такие как промоторы и энхансеры , которые контролируют транскрипцию открытой рамки считывания.
У многих видов только небольшая часть общей последовательности генома кодирует белок. Например, только около 1,5% человеческого генома состоит из экзонов , кодирующих белок , а более 50% человеческой ДНК состоит из некодирующих повторяющихся последовательностей . [98] Причины присутствия такого большого количества некодирующей ДНК в геномах эукариот и необычайные различия в размере генома или значении C среди видов представляют собой давнюю загадку, известную как « загадка значения C ». [99] Однако некоторые последовательности ДНК, которые не кодируют белок, могут все же кодировать функциональные некодирующие молекулы РНК, которые участвуют в регуляции экспрессии генов . [100]
Некоторые некодирующие последовательности ДНК играют структурную роль в хромосомах. Теломеры и центромеры обычно содержат мало генов, но важны для функционирования и стабильности хромосом. [64] [102] Распространенной формой некодирующей ДНК у людей являются псевдогены , которые представляют собой копии генов, отключенных в результате мутации. [103] Эти последовательности обычно представляют собой просто молекулярные окаменелости , хотя иногда они могут служить необработанным генетическим материалом для создания новых генов посредством процесса дупликации и дивергенции генов . [104]
Ген — это последовательность ДНК, которая содержит генетическую информацию и может влиять на фенотип организма. Внутри гена последовательность оснований на 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 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 с транспортной РНК , несущей аминокислоты. Поскольку в трехбуквенных комбинациях 4 основания, то возможных кодонов 64 (4 3 комбинации). Они кодируют двадцать стандартных аминокислот , что дает большинству аминокислот более одного возможного кодона. Есть также три «стоповых» или «бессмысленных» кодона, обозначающих конец кодирующей области; это кодоны TAG, TAA и TGA (UAG, UAA и UGA на мРНК).
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 родительская клетка. Двухцепочечная структура ДНК обеспечивает простой механизм репликации ДНК . Здесь две цепи разделяются, а затем комплементарная последовательность ДНК каждой цепи воссоздается с помощью фермента , называемого ДНК-полимеразой . Этот фермент создает комплементарную цепь, находя правильное основание посредством комплементарной пары оснований и связывая его с исходной цепью. Поскольку ДНК-полимеразы могут удлинять цепь ДНК только в направлении от 5' к 3', для копирования антипараллельных цепей двойной спирали используются разные механизмы. [105] Таким образом, основание старой цепи определяет, какое основание появится в новой цепи, и в результате клетка получает идеальную копию своей ДНК.
Голая внеклеточная ДНК (эДНК), большая часть которой высвобождается в результате гибели клеток, практически повсеместно встречается в окружающей среде. Его концентрация в почве может достигать 2 мкг/л, а в естественной водной среде - до 88 мкг/л. [106] Для eDNA были предложены различные возможные функции: она может участвовать в горизонтальном переносе генов ; [107] он может обеспечивать питательные вещества; [108] и он может действовать как буфер для рекрутирования или титрования ионов или антибиотиков. [109] Внеклеточная ДНК действует как функциональный компонент внеклеточного матрикса в биопленках нескольких видов бактерий. Он может действовать как фактор узнавания, регулируя прикрепление и распространение определенных типов клеток в биопленке; [110] это может способствовать образованию биопленок; [111] и это может способствовать повышению физической прочности биопленки и устойчивости к биологическому стрессу. [112]
Бесклеточная ДНК плода находится в крови матери и может быть секвенирована для получения большого количества информации о развивающемся плоде. [113]
Под названием ДНК окружающей среды эДНК получила все более широкое применение в естественных науках в качестве инструмента исследования экологии , мониторинга перемещения и присутствия видов в воде, воздухе или на суше, а также оценки биоразнообразия территории. [114] [115]
Внеклеточные ловушки нейтрофилов (NET) представляют собой сети внеклеточных волокон, в основном состоящих из ДНК, которые позволяют нейтрофилам (типу лейкоцитов) убивать внеклеточные патогены, сводя к минимуму повреждение клеток-хозяев.
Все функции ДНК зависят от взаимодействия с белками. Эти белковые взаимодействия могут быть неспецифичными, 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.
Структурные белки, связывающие ДНК, являются хорошо изученными примерами неспецифических взаимодействий ДНК-белок. Внутри хромосом ДНК содержится 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 задействованы несколько типов белков. [116] [117] Гистоны образуют дискообразный комплекс, называемый нуклеосомой , который содержит два полных витка двухцепочечной ДНК, обернутых вокруг его поверхности. Эти неспецифические взаимодействия формируются посредством основных остатков в гистонах, образующих ионные связи с кислым сахарофосфатным остовом ДНК, и, таким образом, в значительной степени независимы от последовательности оснований. [118] Химические модификации этих основных аминокислотных остатков включают метилирование , фосфорилирование и ацетилирование . [119] Эти химические изменения изменяют силу взаимодействия между ДНК и гистонами, делая ДНК более или менее доступной для факторов транскрипции и изменяя скорость транскрипции. [120] Другие неспецифические ДНК-связывающие белки в хроматине включают белки группы с высокой подвижностью, которые связываются с изогнутой или искаженной ДНК. [121] Эти белки играют важную роль в изгибании массивов нуклеосом и их организации в более крупные структуры, из которых состоят хромосомы. [122]
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 разделения двойной спирали, включая репликацию ДНК, рекомбинацию и репарацию ДНК. [123] Эти связывающие белки, по-видимому, стабилизируют одноцепочечную ДНК и защищают ее от образования стеблевых петель или разрушения нуклеазами .
Напротив, другие белки эволюционировали, чтобы связываться с определенными последовательностями ДНК. Наиболее интенсивно изучаются различные факторы транскрипции — белки, регулирующие транскрипцию. Каждый фактор транскрипции связывается с одним конкретным набором последовательностей ДНК и активирует или ингибирует транскрипцию генов, у которых эти последовательности расположены близко 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 обнаруживает полимеразу у промотора и позволяет ей начать транскрипцию. [125] Альтернативно, факторы транскрипции могут связывать ферменты , которые модифицируют гистоны на промоторе. Это изменяет доступность матрицы ДНК для полимеразы. [126]
Поскольку эти ДНК-мишени могут встречаться по всему геному организма, изменения в активности одного типа транскрипционного фактора могут повлиять на тысячи генов. [127] Следовательно, эти белки часто являются мишенями процессов передачи сигнала , которые контролируют реакцию на изменения окружающей среды или клеточную дифференцировку и развитие. Специфичность взаимодействия этих факторов транскрипции с ДНК обусловлена тем, что белки устанавливают множественные контакты с краями оснований ДНК, что позволяет им «читать» последовательность ДНК. Большинство этих взаимодействий с основаниями происходит в основной бороздке, где основания наиболее доступны. [25]
Нуклеазы — это ферменты , которые разрезают цепи ДНК, катализируя гидролиз фосфодиэфирных связей . Нуклеазы, гидролизующие нуклеотиды с концов нитей ДНК, называются экзонуклеазами , а эндонуклеазы разрезают внутри нитей. 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 разрезает ее по горизонтальной линии. В природе эти ферменты защищают бактерии от фаговой инфекции, переваривая ДНК фага, когда он попадает в бактериальную клетку, действуя как часть системы модификации рестрикции . [129] В технологии эти специфичные для последовательности нуклеазы используются в молекулярном клонировании и дактилоскопировании ДНК .
Ферменты, называемые ДНК-лигазами, могут воссоединять разрезанные или разорванные цепи ДНК. [130] Лигазы особенно важны при репликации отстающей цепи ДНК, поскольку они соединяют короткие сегменты ДНК, образующиеся на репликационной вилке, в полную копию матрицы ДНК. Они также используются для восстановления ДНК и генетической рекомбинации . [130]
Топоизомеразы представляют собой ферменты, обладающие как нуклеазной, так и лигазной активностью. Эти белки изменяют степень сверхспирализации ДНК. Некоторые из этих ферментов работают, разрезая спираль ДНК и позволяя одной ее части вращаться, тем самым снижая уровень ее сверхспирализации; затем фермент запечатывает разрыв ДНК. [44] Другие типы этих ферментов способны разрезать одну спираль ДНК, а затем пропустить через этот разрыв вторую цепь ДНК, прежде чем снова присоединиться к спирали. [131] Топоизомеразы необходимы для многих процессов, связанных с ДНК, таких как репликация и транскрипция ДНК. [45]
Хеликазы — 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. [132] Эти ферменты необходимы для большинства процессов, в которых ферментам необходим доступ к основаниям ДНК.
Полимеразы — ферменты , синтезирующие полинуклеотидные цепи из нуклеозидтрифосфатов . Последовательность их продуктов создается на основе существующих полинуклеотидных цепей, которые называются матрицами . Эти ферменты действуют путем многократного добавления нуклеотида к 3'- гидроксильной группе на конце растущей полинуклеотидной цепи. Как следствие, все полимеразы действуют в направлении от 5’ к 3’. [133] В активном центре этих ферментов входящие пары оснований нуклеозидтрифосфата присоединяются к матрице: это позволяет полимеразам точно синтезировать комплементарную цепь своей матрицы. Полимеразы классифицируются в зависимости от типа матрицы, которую они используют.
При репликации ДНК ДНК-зависимые ДНК-полимеразы создают копии полинуклеотидных цепей ДНК. Для сохранения биологической информации важно, чтобы последовательность оснований в каждой копии точно дополняла последовательность оснований в цепи матрицы. Многие ДНК-полимеразы обладают корректурной активностью. Здесь полимераза распознает случайные ошибки в реакции синтеза из-за отсутствия спаривания оснований между несовпадающими нуклеотидами. Если обнаружено несоответствие, активируется экзонуклеазная активность от 3' до 5' и неправильное основание удаляется. [134] У большинства организмов ДНК-полимеразы функционируют в большом комплексе, называемом реплисомой, который содержит множество дополнительных субъединиц, таких как зажим ДНК или хеликазы . [135]
РНК-зависимые ДНК-полимеразы представляют собой специализированный класс полимераз, которые копируют последовательность цепи РНК в ДНК. К ним относятся обратная транскриптаза — вирусный фермент, участвующий в инфицировании клеток ретровирусами , и теломераза , необходимая для репликации теломер. [63] [136] Например, обратная транскриптаза ВИЧ является ферментом репликации вируса СПИДа. [136] Теломераза является необычной полимеразой, поскольку она содержит собственную матрицу РНК как часть своей структуры. Он синтезирует теломеры на концах хромосом. Теломеры предотвращают слияние концов соседних хромосом и защищают концы хромосом от повреждений. [64]
Транскрипция осуществляется ДНК-зависимой РНК-полимеразой , которая копирует последовательность цепи ДНК в РНК. Чтобы начать транскрипцию 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 участка ДНК, называемого терминатором , где он останавливается и отделяется от ДНК. Как и ДНК-зависимые ДНК-полимеразы человека, РНК-полимераза II , фермент, который транскрибирует большинство генов в геноме человека, действует как часть большого белкового комплекса с множеством регуляторных и дополнительных субъединиц. [137]
Спираль ДНК обычно не взаимодействует с другими сегментами ДНК, а в клетках человека разные хромосомы даже занимают отдельные области ядра, называемые « хромосомными территориями ». [139] Это физическое разделение различных хромосом важно для способности ДНК функционировать в качестве стабильного хранилища информации, поскольку один из немногих случаев взаимодействия хромосом - это хромосомный кроссинговер , который происходит во время полового размножения , когда происходит генетическая рекомбинация . Хромосомный кроссовер – это когда две спирали ДНК разрываются, меняют местами участки и затем воссоединяются.
Рекомбинация позволяет хромосомам обмениваться генетической информацией и создавать новые комбинации генов, что повышает эффективность естественного отбора и может иметь важное значение для быстрой эволюции новых белков. [140] Генетическая рекомбинация также может участвовать в репарации ДНК, особенно в реакции клетки на двухцепочечные разрывы. [141]
Наиболее распространенной формой хромосомного кроссинговера является гомологичная рекомбинация , при которой две задействованные хромосомы имеют очень схожие последовательности. Негомологичная рекомбинация может быть разрушительной для клеток, поскольку может вызывать хромосомные транслокации и генетические аномалии. Реакция рекомбинации катализируется ферментами, известными как рекомбиназы , такими как RAD51 . [142] Первым этапом рекомбинации является двухцепочечный разрыв, вызванный либо эндонуклеазой , либо повреждением ДНК. [143] Ряд стадий, частично катализируемых рекомбиназой, затем приводит к соединению двух спиралей по крайней мере с помощью одного соединения Холлидея , при котором сегмент одной цепи в каждой спирали отжигается с комплементарной цепью в другой спирали. Соединение Холлидея представляет собой тетраэдрическую структуру соединения, которую можно перемещать по паре хромосом, заменяя одну цепь другой. Затем реакция рекомбинации останавливается за счет расщепления соединения и повторного лигирования высвободившейся ДНК. [144] Только нити одинаковой полярности обмениваются ДНК во время рекомбинации. Существует два типа раскола: раскол с востока на запад и раскол с севера на юг. Расщепление север-юг разрывает обе цепи ДНК, тогда как расщепление восток-запад сохраняет одну цепь ДНК неповрежденной. Образование соединения Холлидея во время рекомбинации делает возможным генетическое разнообразие, обмен генами на хромосомах и экспрессию вирусных геномов дикого типа.
ДНК содержит генетическую информацию, которая позволяет всем формам жизни функционировать, расти и размножаться. Однако неясно, как долго в 4-миллиардной истории жизни ДНК выполняла эту функцию, поскольку было высказано предположение, что самые ранние формы жизни могли использовать РНК в качестве генетического материала. [145] [146] РНК, возможно, играла центральную роль в раннем клеточном метаболизме , поскольку она может как передавать генетическую информацию, так и осуществлять катализ в составе рибозимов . [147] Этот древний мир РНК , где нуклеиновая кислота использовалась как для катализа, так и для генетики, возможно, повлиял на эволюцию нынешнего генетического кода, основанного на четырех нуклеотидных основаниях. Это может произойти, поскольку количество различных оснований в таком организме представляет собой компромисс между небольшим количеством оснований, повышающим точность репликации, и большим количеством оснований, повышающим каталитическую эффективность рибозимов. [148] Однако прямых доказательств существования древних генетических систем нет, поскольку восстановление ДНК из большинства окаменелостей невозможно, поскольку ДНК выживает в окружающей среде менее одного миллиона лет и медленно распадается на короткие фрагменты в растворе. [149] Делались заявления о более древней ДНК, в первую очередь сообщение об выделении жизнеспособной бактерии из кристалла соли возрастом 250 миллионов лет, [150] но эти утверждения противоречивы. [151] [152]
Строительные блоки ДНК ( аденин , гуанин и родственные им органические молекулы ) могли образоваться внеземно, в космическом пространстве . [153] [154] [155] Сложные органические соединения жизни в виде ДНК и РНК , включая урацил , цитозин и тимин , также были образованы в лаборатории в условиях, имитирующих условия, обнаруженные в космическом пространстве , с использованием исходных химических веществ, таких как пиримидин , найден в метеоритах . Пиримидин, как и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), самое богатое углеродом химическое вещество во Вселенной , возможно, образовался в красных гигантах или в межзвездных космических пылевых и газовых облаках. [156]
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. [157] [158]
Были разработаны методы очистки ДНК из организмов, такие как фенол-хлороформная экстракция , и манипулирования ею в лаборатории, такие как рестрикционные гидролизаты и полимеразная цепная реакция . Современная биология и биохимия интенсивно используют эти методы в технологии рекомбинантной ДНК. Рекомбинантная ДНК — это искусственная последовательность ДНК, собранная из других последовательностей ДНК. Их можно трансформировать в организмы в виде плазмид или в соответствующем формате с помощью вирусного вектора . [159] Полученные генетически модифицированные организмы можно использовать для производства таких продуктов, как рекомбинантные белки , используемые в медицинских исследованиях , [160] или выращивать в сельском хозяйстве . [161] [162]
Судмедэксперты могут использовать ДНК в крови , сперме , коже , слюне или волосах, найденных на месте преступления , чтобы идентифицировать совпадающую ДНК человека, например преступника. [163] Этот процесс формально называется профилированием ДНК , а также дактилоскопией ДНК . При профилировании ДНК у людей сравниваются длины переменных участков повторяющейся ДНК, таких как короткие тандемные повторы и минисателлиты . Этот метод обычно является чрезвычайно надежным методом идентификации совпадающей ДНК. [164] Однако идентификация может быть затруднена, если место происшествия загрязнено ДНК нескольких человек. [165] Профилирование ДНК было разработано в 1984 году британским генетиком сэром Алеком Джеффрисом , [166] и впервые использовано в судебной медицине для осуждения Колина Питчфорка по делу об убийствах в Эндерби в 1988 году . [167]
Развитие судебной медицины и возможность теперь получать генетическое соответствие на мельчайших образцах крови, кожи, слюны или волос привели к повторному исследованию многих случаев. Теперь могут быть обнаружены доказательства, которые были научно невозможны во время первоначального исследования. В сочетании с отменой в некоторых странах закона о двойной ответственности это может позволить возобновить рассмотрение дел, если предыдущие судебные разбирательства не смогли предоставить достаточных доказательств, чтобы убедить присяжных. От людей, обвиняемых в тяжких преступлениях, могут потребовать предоставить образец ДНК для целей сопоставления. Самая очевидная защита от совпадений ДНК, полученных судебно-медицинской экспертизой, - это утверждение о том, что имело место перекрестное загрязнение улик. Это привело к тщательным и строгим процедурам рассмотрения новых случаев серьезных преступлений.
Профилирование ДНК также успешно используется для точной идентификации жертв инцидентов с массовыми жертвами, [168] тел или частей тел в результате серьезных аварий, а также отдельных жертв в массовых военных могилах путем сопоставления с членами семьи.
Профилирование ДНК также используется при тестировании ДНК на отцовство , чтобы определить, является ли кто-либо биологическим родителем или дедушкой или бабушкой ребенка, при этом вероятность отцовства обычно составляет 99,99%, когда предполагаемый родитель биологически связан с ребенком. Обычные методы секвенирования ДНК применяются после рождения, но существуют новые методы проверки отцовства, пока мать еще беременна. [169]
Дезоксирибозимы , также называемые ДНКзимами или каталитической ДНК, были впервые обнаружены в 1994 году. [170] В основном они 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. (СЕЛЕКС). 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 100 000 000 000 раз по сравнению с некатализируемой реакцией. [171] Наиболее широко изученный класс ДНКзимов — это типы, расщепляющие РНК, которые использовались для обнаружения ионов различных металлов и разработки терапевтических агентов. Сообщалось о нескольких металлоспецифичных ДНКзимах, включая ДНКзим GR-5 (специфичный для свинца), [170] ДНКзим CA1-3 (специфичный для меди), [172] ДНКзим 39E (специфичный для уранила) и ДНКзим NaA43 (специфичный для меди). специфичный для натрия). [173] ДНКзим NaA43, который, как сообщается, более чем в 10 000 раз селективнее в отношении натрия по сравнению с ионами других металлов, был использован для создания датчика натрия в клетках в реальном времени.
Биоинформатика включает в себя разработку методов хранения, анализа данных , поиска и манипулирования биологическими данными, включая данные о последовательностях нуклеиновых кислот ДНК . Это привело к широко прикладным достижениям в области информатики , особенно в алгоритмах поиска строк , машинном обучении и теории баз данных . [174] Алгоритмы поиска или сопоставления строк, которые находят вхождение последовательности букв внутри более крупной последовательности букв, были разработаны для поиска определенных последовательностей нуклеотидов. [175] Последовательность ДНК может быть сопоставлена с другими последовательностями ДНК для идентификации гомологичных последовательностей и определения местоположения конкретных мутаций , которые отличают их. Эти методы, особенно множественное выравнивание последовательностей , используются при изучении филогенетических взаимоотношений и функций белков. [176] Наборы данных, представляющие собой последовательности ДНК целых геномов, например, полученные в рамках проекта «Геном человека» , трудно использовать без аннотаций, которые определяют расположение генов и регуляторных элементов на каждой хромосоме. Области последовательности ДНК, которые имеют характерные закономерности, связанные с генами, кодирующими белки или РНК, могут быть идентифицированы с помощью алгоритмов поиска генов , которые позволяют исследователям предсказывать присутствие определенных генных продуктов и их возможные функции в организме еще до того, как они будут изолированы. экспериментально. [177] Также можно сравнивать целые геномы, что может пролить свет на историю эволюции конкретного организма и позволить изучить сложные эволюционные события.
Нанотехнология ДНК использует уникальные свойства молекулярного распознавания ДНК и других нуклеиновых кислот для создания самособирающихся разветвленных комплексов ДНК с полезными свойствами. [179] Таким образом, ДНК используется как структурный материал, а не как носитель биологической информации. Это привело к созданию двумерных периодических решеток (как на основе плиток, так и с использованием метода ДНК-оригами ) и трехмерных структур в форме многогранников . [180] Также были продемонстрированы наномеханические устройства и алгоритмическая самосборка , [181] и эти структуры ДНК использовались для построения шаблонов расположения других молекул, таких как наночастицы золота и белки стрептавидина . [182] ДНК и другие нуклеиновые кислоты лежат в основе аптамеров , синтетических олигонуклеотидных лигандов для конкретных молекул-мишеней, используемых в ряде биотехнологических и биомедицинских приложений. [183]
Поскольку ДНК с течением времени собирает мутации, которые затем передаются по наследству, она содержит историческую информацию, и, сравнивая последовательности ДНК, генетики могут сделать вывод об эволюционной истории организмов, их филогении . [184] Эта область филогенетики является мощным инструментом эволюционной биологии . Если сравнивать последовательности ДНК внутри вида, популяционные генетики могут узнать историю конкретных популяций. Это может быть использовано в различных исследованиях – от экологической генетики до антропологии .
ДНК как устройство хранения информации имеет огромный потенциал, поскольку ее плотность хранения гораздо выше , чем у электронных устройств. Однако высокая стоимость, медленное время чтения и записи ( задержка памяти ) и недостаточная надежность помешали его практическому использованию. [185] [186]
ДНК была впервые выделена швейцарским врачом Фридрихом Мишером , который в 1869 году обнаружил микроскопическое вещество в гное выброшенных хирургических повязок. Поскольку он находился в ядрах клеток, он назвал его «нуклеином». [187] [188] В 1878 году Альбрехт Коссель выделил небелковый компонент «нуклеина», нуклеиновую кислоту, а позже выделил пять ее основных азотистых оснований . [189] [190]
В 1909 году Феб Левен определил основание, сахар и фосфатную нуклеотидную единицу РНК (тогда названную «дрожжевой нуклеиновой кислотой»). [191] [192] [193] В 1929 году Левен идентифицировал сахар дезоксирибозы в «нуклеиновой кислоте тимуса» (ДНК). [194] Левен предположил, что ДНК состоит из цепочки из четырех нуклеотидных единиц, связанных между собой фосфатными группами («тетрануклеотидная гипотеза»). Левен считал, что цепочка короткая и основания повторяются в фиксированном порядке. В 1927 году Николай Кольцов предположил, что унаследованные черты будут наследоваться через «гигантскую наследственную молекулу», состоящую из «двух зеркальных нитей, которые будут воспроизводиться полуконсервативным образом, используя каждую нить в качестве шаблона». [195] [196] В 1928 году Фредерик Гриффит в своем эксперименте обнаружил, что черты «гладкой» формы пневмококка могут быть переданы «шероховатой» форме тех же бактерий путем смешивания убитых «гладких» бактерий с живыми «шероховатыми» бактериями. " форма. [197] [198] Эта система дала первое четкое предположение о том, что ДНК несет генетическую информацию.
В 1933 году, изучая девственные яйца морских ежей , Жан Браше предположил, что ДНК находится в ядре клетки , а РНК присутствует исключительно в цитоплазме . В то время считалось, что «дрожжевая нуклеиновая кислота» (РНК) встречается только у растений, а «нуклеиновая кислота тимуса» (ДНК) — только у животных. Последний считался тетрамером, выполняющим функцию буферизации клеточного pH. [199] [200]
В 1937 году Уильям Эстбери получил первые рентгенограммы, показавшие, что ДНК имеет регулярную структуру. [201]
В 1943 году Освальд Эйвери вместе с коллегами Колином Маклаудом и Маклином Маккарти определил ДНК как трансформирующий принцип , поддержав предположение Гриффита ( эксперимент Эйвери-Маклаода-Маккарти ). [202] Эрвин Чаргафф разработал и опубликовал наблюдения, известные теперь как правила Чаргаффа , утверждающие, что в ДНК любого вида любого организма количество гуанина должно быть равно цитозину , а количество аденина должно быть равно тимину . [203] [204]
В конце 1951 года Фрэнсис Крик начал работать с Джеймсом Уотсоном в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета , Великобритания . Роль ДНК в наследственности была подтверждена в 1952 году, когда Альфред Херши и Марта Чейз в эксперименте Херши-Чейза показали, что ДНК является генетическим материалом фага Т2 энтеробактерий . [205]
В мае 1952 года Рэймонд Гослинг , аспирант, работавший под руководством Розалинды Франклин , сделал рентгеновское дифракционное изображение, обозначенное как « Фото 51 », [206] при высоких уровнях гидратации ДНК. Эта фотография была передана Уотсону и Крику Морисом Уилкинсом и сыграла решающую роль в получении ими правильной структуры ДНК. Франклин сказал Крику и Ватсону, что позвоночник должен быть снаружи. До этого у Лайнуса Полинга, Уотсона и Крика были ошибочные модели, в которых цепи находились внутри, а основания были направлены наружу. Идентификация Франклином пространственной группы кристаллов ДНК открыла Крику, что две цепи ДНК антипараллельны . [207] В феврале 1953 года Лайнус Полинг и Роберт Кори предложили модель нуклеиновых кислот, содержащих три переплетающиеся цепи, с фосфатами вблизи оси и основаниями снаружи. [208] Уотсон и Крик завершили свою модель, которая сейчас считается первой правильной моделью двойной спирали ДНК . 28 февраля 1953 года Крик прервал обед посетителей в пабе The Eagle в Кембридже, Великобритания, чтобы объявить, что он и Ватсон «открыли секрет жизни». [209]
В выпуске журнала Nature от 25 апреля 1953 года была опубликована серия из пяти статей, в которых описывается структура ДНК Уотсона и Крика с двойной спиралью, а также доказательства, подтверждающие ее. [210] Об этой структуре сообщалось в письме, озаглавленном « МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ. Структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы » , в котором они говорили: «От нашего внимания не ускользнуло, что специфическое спаривание, которое мы постулировали, сразу предполагает возможный механизм копирования. для генетического материала». [9] За этим письмом последовало письмо Франклина и Гослинга, которое стало первой публикацией их собственных данных дифракции рентгеновских лучей и их оригинального метода анализа. [48] [211] Затем последовало письмо Уилкинса и двух его коллег, в котором содержался анализ рентгеновских картин B-ДНК in vivo и которые подтверждали наличие in vivo структуры Уотсона и Крика. [49]
В апреле 2023 года ученые на основе новых данных пришли к выводу, что Розалинда Франклин внесла свой вклад и «равноправного игрока» в процесс открытия ДНК, а не наоборот, как могло быть представлено впоследствии, после времени открытия. [212] [213] [214]
В 1962 году, после смерти Франклина, Уотсон, Крик и Уилкинс совместно получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине . [215] Нобелевские премии присуждаются только живым лауреатам. Продолжаются споры о том, кому следует отдать должное за это открытие. [216]
Во влиятельной презентации 1957 года Крик изложил центральную догму молекулярной биологии , которая предсказала взаимосвязь между ДНК, РНК и белками, и сформулировала «гипотезу адаптера». [217] Окончательное подтверждение механизма репликации, подразумеваемого двойной спиральной структурой, последовало в 1958 году в эксперименте Мезельсона-Шталя . [218] Дальнейшая работа Крика и его коллег показала, что генетический код основан на неперекрывающихся тройках оснований, называемых кодонами , что позволило Хар Гобинду Хоране , Роберту У. Холли и Маршаллу Уоррену Ниренбергу расшифровать генетический код. [219] Эти открытия символизируют рождение молекулярной биологии . [220]
В 1986 году анализ ДНК был впервые использован в целях уголовного расследования, когда полиция Великобритании обратилась к Алеку Джеффрису из Университета Лестера с просьбой подтвердить или опровергнуть «признание» подозреваемого в изнасиловании и убийстве. В данном конкретном случае подозреваемый признался в двух изнасилованиях и убийствах, но позже отказался от своего признания. Анализ ДНК в университетских лабораториях вскоре опроверг правдивость первоначального «признания» подозреваемого, и с подозреваемого были сняты обвинения в убийстве и изнасиловании. [221]
Если бы мы жили достаточно долго, рано или поздно мы все заболели бы раком.
Независимо от обстоятельств следует ожидать определенной неснижаемой фоновой заболеваемости раком: мутаций никогда нельзя полностью избежать, поскольку они являются неизбежным следствием фундаментальных ограничений точности репликации ДНК, как обсуждалось в Глава 5. Если бы человек мог жить достаточно долго, то неизбежно, что хотя бы одна из его клеток со временем накопила бы набор мутаций, достаточный для развития рака.
[п. 456]
Ich habe mich daher später mit meinen Versuchen an die ganzen Kerne gehalten, die Trennung der Körper, die ich einstweilen ohne weiteres Präjudiz als lösliches und unlösliches Nuclein bezeichnen will, einem günstigeren Material überlassend.
(Поэтому в своих экспериментах я впоследствии ограничился всем ядром, оставив более благоприятному материалу разделение веществ, который пока без дальнейших предрассудков буду обозначать как растворимый и нерастворимый ядерный материал («Нуклеин»). )
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)На стр. 264, Коссель прозорливо заметил: «Der Erforschung der Quantitative Verhältnisse der vier Stickstoffreichen Basen, der Abhängigkeit ihrer Menge von den физиологически Zuständen der Zelle, verspricht wichtige Aufschlüsse über die elementaren psyologisch-chemischen Vorgänge». (Изучение количественных отношений четырех азотистых оснований — [и] зависимости их количества от физиологического состояния клетки — обещает важное понимание фундаментальных физиолого-химических процессов.)
Со стр. 313: «Я думаю, что размер хромосом в слюнных железах [дрозофилы] определяется путем размножения геномов
.
Этим термином я обозначаю осевую нить хромосомы, в которой генетики обнаруживают линейная комбинация генов; … В нормальной хромосоме обычно имеется только одна генома; перед делением клетки эта генома разделилась на две цепи».
