Ядерная ДНК ( яДНК ), или ядерная дезоксирибонуклеиновая кислота , — это ДНК, содержащаяся в каждом ядре клетки эукариотического организма . [1] Она кодирует большую часть генома эукариот , а митохондриальная ДНК и пластидная ДНК кодируют остальную часть. Она придерживается менделевского наследования , при этом информация поступает от двух родителей, одного мужчины и одной женщины, а не по материнской линии (через мать), как в митохондриальной ДНК. [2]
Ядерная ДНК — это нуклеиновая кислота , полимерная биомолекула или биополимер , обнаруженная в ядре эукариотических клеток. Ее структура представляет собой двойную спираль с двумя цепями, обмотанными друг вокруг друга, — структура, впервые описанная Фрэнсисом Криком и Джеймсом Д. Уотсоном (1953) с использованием данных, собранных Розалинд Франклин . Каждая цепочка представляет собой длинную полимерную цепочку повторяющихся нуклеотидов . [3] Каждый нуклеотид состоит из пятиуглеродного сахара, фосфатной группы и органического основания. Нуклеотиды различаются по своим основаниям: пурины , большие основания, которые включают аденин и гуанин ; и пиримидины , маленькие основания, которые включают тимин и цитозин . Правила Чаргаффа гласят, что аденин всегда соединяется с тимином, а гуанин всегда с цитозином. Фосфатные группы удерживаются вместе фосфодиэфирной связью , а основания удерживаются вместе водородными связями . [4]
Ядерная ДНК и митохондриальная ДНК отличаются во многих отношениях, начиная с местоположения и структуры. Ядерная ДНК расположена в ядре эукариотических клеток и обычно имеет две копии на клетку, в то время как митохондриальная ДНК расположена в митохондриях и содержит 100–1000 копий на клетку. Структура ядерной ДНК- хромосомы линейная с открытыми концами и включает 46 хромосом и содержит, например, 3 миллиарда нуклеотидов у людей, в то время как структура митохондриальной ДНК-хромосомы обычно закрытая, кольцевая и содержит, например, 16 569 нуклеотидов у людей. [5] Ядерная ДНК у животных диплоидна , обычно наследуя ДНК от двух родителей, в то время как митохондриальная ДНК гаплоидна , поступая только от матери. Частота мутаций ядерной ДНК составляет менее 0,3%, тогда как частота мутаций митохондриальной ДНК обычно выше. [6]
Ядерная ДНК известна как молекула жизни и содержит генетические инструкции для развития всех эукариотических организмов. Она находится почти в каждой клетке человеческого тела, за исключением таких, как эритроциты . У каждого человека есть уникальный генетический план, даже у однояйцевых близнецов. [7] Такие судебно-медицинские отделы, как Бюро по задержанию преступников (BCA) и Федеральное бюро расследований (ФБР), могут использовать методы, включающие ядерную ДНК, для сравнения образцов в деле. Используемые методы включают полимеразную цепную реакцию (ПЦР), которая позволяет использовать очень малые количества ДНК, делая копии целевых участков на молекуле, также известных как короткие тандемные повторы (STR). [8] [9]
Как и митоз , мейоз является формой деления эукариотических клеток . Мейоз приводит к появлению четырех уникальных дочерних клеток, каждая из которых имеет вдвое меньше хромосом, чем родительская клетка. Поскольку мейоз создает клетки, которым суждено стать гаметами (или репродуктивными клетками), это сокращение числа хромосом имеет решающее значение — без него объединение двух гамет во время оплодотворения привело бы к появлению потомства с вдвое большим количеством хромосом.
Мейоз создает новые комбинации генетического материала в каждой из четырех дочерних клеток. Эти новые комбинации возникают в результате обмена ДНК между парными хромосомами. Такой обмен означает, что гаметы, полученные в результате мейоза, часто демонстрируют значительную генетическую изменчивость.
Мейоз включает два раунда ядерного деления, а не один. Перед тем, как подвергнуться мейозу, клетка проходит период интерфазы, в течение которого она растет, реплицирует свои хромосомы и проверяет все свои системы, чтобы убедиться, что она готова к делению.
Подобно митозу, мейоз также имеет отдельные стадии, называемые профазой , метафазой , анафазой и телофазой . Однако ключевым отличием является то, что во время мейоза каждая из этих фаз происходит дважды — один раз во время первого раунда деления, называемого мейозом I, и еще раз во время второго раунда деления, называемого мейозом II. [10]
Перед делением клетки материал ДНК в исходной клетке должен быть продублирован, чтобы после деления клетки каждая новая клетка содержала полное количество материала ДНК. Процесс дупликации ДНК обычно называется репликацией . Репликация называется полуконсервативной, поскольку каждая новая клетка содержит одну нить исходной ДНК и одну вновь синтезированную нить ДНК. Исходная полинуклеотидная нить ДНК служит шаблоном для руководства синтезом нового комплементарного полинуклеотида ДНК. Шаблон одноцепочечной ДНК служит для руководства синтезом комплементарной нити ДНК. [11]
Репликация ДНК начинается в определенном месте в молекуле ДНК, называемом началом репликации . Фермент геликаза раскручивает и разделяет часть молекулы ДНК, после чего одноцепочечные связывающие белки реагируют и стабилизируют разделенные одноцепочечные участки молекулы ДНК. Ферментный комплекс ДНК-полимераза взаимодействует с разделенной частью молекулы и инициирует процесс репликации. ДНК-полимераза может только соединять новые нуклеотиды ДНК с уже существующей цепочкой нуклеотидов. Поэтому репликация начинается, когда фермент, называемый праймазой, собирает РНК-праймер в начале репликации. РНК-праймер состоит из короткой последовательности нуклеотидов РНК , комплементарной небольшому начальному участку цепи ДНК, подготавливаемой к репликации. Затем ДНК-полимераза может добавлять нуклеотиды ДНК к РНК-праймеру и, таким образом, начинать процесс построения новой комплементарной цепи ДНК. Позже РНК-праймер ферментативно удаляется и заменяется соответствующей последовательностью нуклеотидов ДНК. Поскольку две комплементарные нити молекулы ДНК ориентированы в противоположных направлениях, а ДНК-полимераза может осуществлять репликацию только в одном направлении, используются два различных механизма копирования нитей ДНК. Одна нить непрерывно реплицируется в направлении раскручивания, отделяя часть исходной молекулы ДНК; в то время как другая нить прерывисто реплицируется в противоположном направлении с образованием серии коротких сегментов ДНК, называемых фрагментами Оказаки . Для каждого фрагмента Оказаки требуется отдельный праймер РНК. По мере синтеза фрагментов Оказаки праймеры РНК заменяются нуклеотидами ДНК, и фрагменты связываются вместе в непрерывную комплементарную нить. [12]
Повреждение ядерной ДНК является постоянной проблемой, возникающей из-за множества разрушительных эндогенных и экзогенных источников. Эукариоты развили разнообразный набор процессов репарации ДНК , которые удаляют повреждения ядерной ДНК. Эти процессы репарации включают в себя репарацию удаления оснований , репарацию удаления нуклеотидов , гомологичную рекомбинационную репарацию, негомологичное соединение концов и микрогомологичное соединение концов . Такие процессы репарации необходимы для поддержания стабильности ядерной ДНК. Неспособность репарационной активности поспевать за возникновением повреждений имеет различные негативные последствия. Повреждения ядерной ДНК, а также мутации и эпигенетические изменения , которые вызывают такие повреждения, считаются основной причиной рака . [ требуется ссылка ] Повреждения ядерной ДНК также связаны со старением [13] и нейродегенеративными заболеваниями . [14] [15]
Ядерная ДНК подвержена мутации . Основной причиной мутации является неточная репликация ДНК , часто специализированными ДНК-полимеразами , которые синтезируют прошлые повреждения ДНК в матричной цепи ( синтез транс-повреждений , подверженный ошибкам ). [16] Мутации также возникают из-за неточной репарации ДНК. Микрогомологически опосредованный путь соединения концов для репарации двухцепочечных разрывов особенно подвержен мутации. [17] Мутации, возникающие в ядерной ДНК зародышевой линии, чаще всего нейтральны или адаптивно невыгодны. Однако небольшая доля мутаций, которые оказываются выгодными, обеспечивает генетическую изменчивость, на основе которой естественный отбор действует для создания новых адаптаций.
