Ядерная ДНК ( нДНК ), или ядерная дезоксирибонуклеиновая кислота , представляет собой ДНК , содержащуюся в каждом клеточном ядре эукариотического организма . [1] Он кодирует большую часть генома эукариот , а остальную часть кодирует митохондриальная ДНК и пластидная ДНК . Он соответствует менделевскому наследованию , при котором информация поступает от двух родителей, мужчины и 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. Его структура представляет собой двойную спираль с двумя нитями, намотанными друг на друга. Эта структура впервые была описана Фрэнсисом Криком и Джеймсом Д. Уотсоном (1953) с использованием данных, собранных Розалиндой Франклин . Каждая нить представляет собой длинную полимерную цепь повторяющихся нуклеотидов . [3] Каждый нуклеотид состоит из пятиуглеродного сахара, фосфатной группы и органического основания. Нуклеотиды различают по своим основаниям: пурины , крупные основания, включающие аденин и гуанин ; и пиримидины , небольшие основания, включающие 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 – водородными связями . [4]
Ядерная ДНК и митохондриальная ДНК различаются во многом, начиная с местоположения и структуры. Ядерная ДНК расположена в ядре клеток эукариот и обычно имеет две копии на клетку, тогда как митохондриальная ДНК расположена в митохондриях и содержит 100–1000 копий на клетку. Структура хромосом ядерной ДНК является линейной с открытыми концами, включает 46 хромосом и содержит, например, 3 миллиарда нуклеотидов у человека, в то время как структура хромосомы митохондриальной ДНК обычно является закрытой, кольцевой и содержит, например, 16 569 нуклеотидов у человека. [5] Ядерная ДНК у животных диплоидна и обычно наследует ДНК от двух родителей, тогда как митохондриальная ДНК гаплоидна и происходит 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. Он содержится почти в каждой клетке человеческого тела, за исключением таких, как эритроциты . У каждого есть уникальный генетический код, даже у однояйцевых близнецов. [7] Судебно-медицинские департаменты, такие как Бюро по задержанию преступников (BCA) и Федеральное бюро расследований (ФБР), могут использовать методы с использованием ядерной ДНК для сравнения образцов в деле. Используемые методы включают полимеразную цепную реакцию (ПЦР), которая позволяет использовать очень небольшие количества ДНК путем создания копий целевых участков молекулы, также известных как короткие тандемные повторы (STR). [8] [9]
Как и митоз , мейоз является формой деления эукариотических клеток . Мейоз дает начало четырем уникальным дочерним клеткам, 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 приведет 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, образующиеся в результате мейоза, часто демонстрируют значительную генетическую изменчивость.
Мейоз включает два раунда деления ядра, а не один. Прежде чем подвергнуться мейозу, клетка проходит интерфазный период, в течение которого она растет, реплицирует свои хромосомы и проверяет все свои системы, чтобы убедиться, что она готова к делению.
Как и митоз, мейоз также имеет отдельные стадии, называемые профазой , метафазой , анафазой и телофазой . Однако ключевое отличие состоит в том, что во время мейоза каждая из этих фаз происходит дважды — один раз во время первого раунда деления, называемого мейозом I, и снова 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 называют репликацией . Репликация называется полуконсервативной , поскольку каждая новая клетка содержит одну цепь исходной ДНК и одну вновь синтезированную цепь ДНК. Исходная полинуклеотидная цепь ДНК служит матрицей для синтеза нового комплементарного полинуклеотида ДНК. Одноцепочечная матрица ДНК служит для управления синтезом комплементарной цепи ДНК. [11]
Репликация ДНК начинается в определенном месте молекулы ДНК, называемом началом репликации . Фермент хеликаза раскручивает и отделяет часть молекулы ДНК, после чего одноцепочечные связывающие белки реагируют с разделенными одноцепочечными участками молекулы ДНК и стабилизируют их. Ферментный комплекс ДНК-полимераза захватывает отделившуюся часть молекулы и инициирует процесс репликации. ДНК-полимераза может только соединять новые нуклеотиды ДНК с уже существующей цепью нуклеотидов. Таким образом, репликация начинается с того, что фермент, называемый примазой , собирает праймер РНК в начале репликации. Праймер РНК состоит из короткой последовательности нуклеотидов РНК , комплементарной небольшому начальному участку цепи ДНК, подготавливаемой к репликации. Затем ДНК-полимераза способна добавить нуклеотиды ДНК к праймеру РНК и, таким образом, начать процесс построения новой комплементарной цепи ДНК. Позже праймер РНК ферментативно удаляется и заменяется соответствующей последовательностью нуклеотидов ДНК. Поскольку две комплементарные цепи молекулы ДНК ориентированы в противоположных направлениях, а ДНК-полимераза может обеспечивать репликацию только в одном направлении, используются два разных механизма копирования цепей ДНК. Одна цепь непрерывно реплицируется в направлении раскручивания, отделяя часть исходной молекулы ДНК; в то время как другая цепь реплицируется прерывисто в противоположном направлении с образованием ряда коротких сегментов ДНК, называемых фрагментами Оказаки . Для каждого фрагмента Оказаки требуется отдельный праймер для РНК. По мере синтеза фрагментов Окадзаки праймеры РНК заменяются нуклеотидами ДНК, и фрагменты связываются вместе в непрерывную комплементарную цепь. [12]
Повреждение ядерной ДНК является постоянной проблемой, возникающей под воздействием различных разрушительных эндогенных и экзогенных источников. Эукариоты развили разнообразный набор процессов восстановления ДНК , которые устраняют повреждения ядерной ДНК. Эти процессы репарации включают эксцизионную репарацию оснований , эксцизионную репарацию нуклеотидов , гомологичную рекомбинационную репарацию, негомологическое соединение концов и микрогомологическое соединение концов . Такие процессы восстановления необходимы для поддержания стабильности ядерной ДНК. Неспособность ремонтной деятельности своевременно реагировать на возникновение повреждений имеет различные негативные последствия. Повреждения ядерной ДНК, а также мутации и эпигенетические изменения , вызываемые такими повреждениями, считаются основной причиной рака . [ нужна цитация ] Повреждения ядерной ДНК также связаны со старением [13] и нейродегенеративными заболеваниями . [14] [15]
Ядерная ДНК подвержена мутациям . Основной причиной мутаций является неточная репликация ДНК , часто осуществляемая специализированными ДНК-полимеразами , которые синтезируют прошлые повреждения ДНК в цепи матрицы ( синтез трансповреждений , подверженный ошибкам ). [16] Мутации также возникают из-за неточной репарации ДНК. Путь соединения концов, опосредованный микрогомологией, для восстановления двухцепочечных разрывов особенно подвержен мутациям. [17] Мутации, возникающие в ядерной ДНК зародышевой линии , чаще всего нейтральны или адаптивно невыгодны. Однако небольшая часть мутаций, которые оказываются полезными, обеспечивают генетическую изменчивость, на основе которой действует естественный отбор для создания новых адаптаций.
