Deoxyribonukleová kyselina ( DNA ) je makromolekula (jedna ze tří hlavních, další dvě jsou RNA a proteiny ), která zajišťuje ukládání, přenos z generace na generaci a realizaci genetického programu pro vývoj a fungování živých organismů . Molekula DNA uchovává biologickou informaci ve formě genetického kódu sestávajícího ze sekvence nukleotidů [1] . DNA obsahuje informace o struktuře různých typů RNA a proteinů .
V eukaryotických ( živočišných , rostlinných a houbových ) buňkách se DNA nachází v buněčném jádře jako součást chromozomů a také v některých buněčných organelách ( mitochondrie a plastidy ). V buňkách prokaryotických organismů ( bakterie a archaea ) je vnitřně k buněčné membráně připojena kruhová nebo lineární molekula DNA, tzv. nukleoid . Oni a nižší eukaryotes (například kvasinky ) mají také malé autonomní, většinou kruhové molekuly DNA nazývané plasmidy . Kromě toho mohou jedno- nebo dvouvláknové molekuly DNA tvořit genom virů obsahujících DNA .
Z chemického hlediska je DNA dlouhá polymerní molekula skládající se z opakujících se bloků - nukleotidů . Každý nukleotid se skládá z dusíkaté báze , cukru ( deoxyribózy ) a fosfátové skupiny . Vazby mezi nukleotidy v řetězci jsou tvořeny deoxyribózou a fosfátovou skupinou (fosfodiesterové vazby). V drtivé většině případů (kromě některých virů obsahujících jednovláknovou DNA) se makromolekula DNA skládá ze dvou řetězců orientovaných navzájem dusíkatými bázemi. Tato dvouvláknová molekula je stočena ve šroubovici . Struktura molekuly DNA jako celku dostala tradiční, ale mylný název „dvojitá šroubovice “: ve skutečnosti jde o „dvojitý šroub “. Šroubovice může být pravá (A- a B-formy DNA) nebo levá (Z-forma DNA) [2] .
V DNA se nacházejí čtyři typy dusíkatých bází ( adenin (A), guanin (G), thymin (T) a cytosin (C)). Dusíkaté báze jednoho z řetězců jsou spojeny s dusíkatými bázemi druhého řetězce vodíkovými vazbami podle principu komplementarity : adenin (A) se slučuje pouze s thyminem (T), guanin (G) pouze s cytosinem (C) . Sekvence nukleotidů umožňuje „zakódovat“ informace o různých typech RNA, z nichž nejdůležitější jsou informace nebo templát ( mRNA ), ribozomální ( rRNA ) a transportní ( tRNA ). Všechny tyto typy RNA jsou syntetizovány na templátu DNA zkopírováním sekvence DNA do sekvence RNA syntetizované během transkripce a účastní se biosyntézy proteinů ( translační proces ). Kromě kódujících sekvencí obsahuje buněčná DNA sekvence, které plní regulační a strukturální funkce. Kromě toho se v eukaryotickém genomu často nacházejí oblasti patřící „genetickým parazitům“, jako jsou transpozony .
Rozluštění struktury DNA ( 1953 ) bylo jedním ze zlomů v historii biologie. Za mimořádný přínos k tomuto objevu byli Francis Crick , James Watson a Maurice Wilkins oceněni v roce 1962 Nobelovou cenou za fyziologii a medicínu . Rosalind Franklinová , která obdržela rentgenové paprsky , bez nichž by Watson a Crick nebyli schopni vyvodit závěry o struktuře DNA, zemřela v roce 1958 na rakovinu ( Nobelova cena se neuděluje posmrtně) [3] .
DNA jako chemickou látku izoloval Johann Friedrich Miescher v roce 1869 ze zbytků buněk obsažených v hnisu. Izoloval látku, která obsahuje dusík a fosfor. Zpočátku se nová látka nazývala nuklein a později, když Misher zjistil, že tato látka má kyselé vlastnosti, byla tato látka pojmenována jako nukleová kyselina [4] . Biologická funkce nově objevené látky byla nejasná a DNA byla dlouhou dobu považována za zásobárnu fosforu v těle . Navíc ještě na začátku 20. století mnoho biologů věřilo, že DNA nemá nic společného s přenosem informace, protože struktura molekuly je podle jejich názoru příliš jednotná a nemůže obsahovat zakódované informace.
Až do 30. let 20. století se mělo za to, že DNA byla nalezena pouze v živočišných buňkách a že RNA byla nalezena v rostlinných buňkách . V roce 1934 se v časopise "Hoppe-Seyler's Zeitschrift fur physiologishe Chemie" [5] , poté v roce 1935 ve " Scientific Notes of Moscow State University " [6] , objevily články sovětských biochemiků A. N. Belozerského a A. R. Kizela , ve kterých se prokázala přítomnost DNA v rostlinných buňkách. V roce 1936 Belozerského skupina izolovala DNA ze semen a tkání luštěnin, obilovin a dalších rostlin [7] . Výsledkem výzkumu stejné skupiny sovětských vědců v letech 1939-1947 byla první informace ve světové vědecké literatuře o obsahu nukleových kyselin v různých typech bakterií.
Postupně se prokázalo, že nositelem genetické informace je DNA, a nikoli proteiny, jak se dříve myslelo . Jeden z prvních rozhodujících důkazů přišel z experimentů Oswalda Averyho, Colina Macleoda a Macleana McCarthyho (1944) o bakteriální transformaci . Podařilo se jim prokázat, že DNA izolovaná z pneumokoků je zodpovědná za tzv. transformaci (získání choroboplodných vlastností neškodnou kulturou v důsledku přidání mrtvých patogenních bakterií k ní). Experiment amerických vědců Alfreda Hersheye a Marthy Chase ( Hershey-Chase experiment , 1952 ) s radioaktivně značenými proteiny a DNA bakteriofágů ukázal, že do infikované buňky se přenáší pouze fágová nukleová kyselina a nová generace fágů obsahuje stejné proteiny a nukleová kyselina, jako původní fág [8] .
Až do 50. let 20. století zůstávala přesná struktura DNA, stejně jako způsob přenosu dědičné informace, neznámá. Ačkoli bylo s jistotou známo, že DNA se skládá z několika řetězců nukleotidů, nikdo přesně nevěděl, kolik těchto řetězců je a jak jsou spojeny.
Výsledkem práce skupiny biochemika Erwina Chargaffa v letech 1949-1951. byla formulována tzv. Chargaffova pravidla . Chargaff a spolupracovníci byli schopni oddělit nukleotidy DNA pomocí papírové chromatografie a určit přesné kvantitativní poměry různých typů nukleotidů. Poměr zjištěný pro adenin (A), thymin (T), guanin (G) a cytosin (C) se ukázal jako následující: množství adeninu se rovná množství thyminu a guanin se rovná množství cytosin: A=T, G=C [9] [10] . Tato pravidla spolu s daty z rentgenové difrakční analýzy sehrála rozhodující roli při dešifrování struktury DNA.
Struktura dvoušroubovice DNA byla navržena Francisem Crickem a Jamesem Watsonem v roce 1953 na základě rentgenových dat získaných Mauricem Wilkinsem a Rosalind Franklin a Chargaffových pravidel [11] . Později byl prokázán model struktury DNA navržený Watsonem a Crickem a jejich práce byla oceněna Nobelovou cenou za fyziologii a medicínu v roce 1962. Rosalind Franklinová, která v té době zemřela na rakovinu, nebyla mezi laureáty, protože cena se neuděluje posmrtně [12] .
Zajímavostí je, že v roce 1957 Američané Alexander Rich, Gary Felsenfeld a David Davis popsali nukleovou kyselinu složenou ze tří šroubovic [13] . A v letech 1985-1986 Maxim Davidovič Frank-Kamenetsky v Moskvě ukázal, jak je dvouřetězcová DNA složena do tzv. H-formy, složené nikoli ze dvou, ale tří řetězců DNA [14] [15] .
Deoxyribonukleová kyselina (DNA) je biopolymer ( polyanion ), jehož monomerem je nukleotid [16] [17] .
Každý nukleotid se skládá ze zbytku kyseliny fosforečné připojené v poloze 5' k deoxyribózovému cukru , ke kterému je také připojena jedna ze čtyř dusíkatých bází prostřednictvím glykosidické vazby (C-N) v poloze 1' . Právě přítomnost charakteristického cukru je jedním z hlavních rozdílů mezi DNA a RNA , zaznamenaných v názvech těchto nukleových kyselin (RNA obsahuje ribózový cukr ) [18] . Příkladem nukleotidu je adenosinmonofosfát , ve kterém je bází připojenou k fosfátu a ribóze adenin (A) (zobrazeno na obrázku).
Na základě struktury molekul se báze tvořící nukleotidy dělí do dvou skupin: puriny ( adenin [A] a guanin [G]) jsou tvořeny spojenými pěti- a šestičlennými heterocykly ; pyrimidiny ( cytosin [C] a thymin [T]) jsou šestičlenné heterocykly [19] .
Výjimečně se například v bakteriofágu PBS1 nachází pátý typ bází v DNA - uracil ([U]), pyrimidinová báze , která se liší od thyminu nepřítomností methylové skupiny na kruhu, obvykle nahrazující thymin v RNA [20] .
Thymin (T) a uracil (U) nejsou tak přísně omezeny na DNA a RNA, jak se dříve myslelo. Po syntéze některých molekul RNA je tedy značné množství uracilu v těchto molekulách methylováno pomocí speciálních enzymů a mění se na thymin. K tomu dochází v transportních a ribozomálních RNA [21] .
Polymer DNA má poměrně složitou strukturu. Nukleotidy jsou spolu kovalentně spojeny do dlouhých polynukleotidových řetězců. V drtivé většině případů (kromě některých virů s genomy jednovláknové DNA) se tyto řetězce spojují v párech pomocí vodíkových vazeb do sekundární struktury zvané dvoušroubovice [ 11] [18] . Páteř každého řetězce se skládá ze střídajících se fosfátů a cukrů [22] . V rámci jednoho řetězce DNA jsou sousední nukleotidy spojeny fosfodiesterovými vazbami , které vznikají jako výsledek interakce mezi 3'-hydroxylovou (3'-OH) skupinou deoxyribózové molekuly jednoho nukleotidu a 5'-fosfátovou skupinou. (5'-RO 3 ) jiného. Asymetrické konce řetězce DNA se nazývají 3' (tři prvočísla) a 5' (pět prvočísel). Polarita řetězce hraje důležitou roli v syntéze DNA (prodlužování řetězce je možné pouze přidáním nových nukleotidů na volný 3' konec).
Jak bylo uvedeno výše, u naprosté většiny živých organismů se DNA skládá ne z jednoho, ale ze dvou polynukleotidových řetězců. Tyto dva dlouhé řetězce jsou stočeny jeden kolem druhého ve formě dvojité šroubovice, stabilizované vodíkovými můstky vytvořenými mezi dusíkatými bázemi jeho základních řetězců proti sobě. V přírodě je tato spirála nejčastěji pravotočivá. Směry od 3'-konce k 5'-konci ve dvou vláknech, které tvoří molekulu DNA, jsou opačné (řetězce jsou vzájemně "antiparalelní").
Šířka dvojité šroubovice je od 22 do 24 Å nebo 2,2–2,4 nm , délka každého nukleotidu je 3,3 Å (0,33 nm) [23] . Stejně jako jsou vidět schody na straně točitého schodiště, na dvoušroubovici DNA, v mezerách mezi fosfátovou páteří molekuly, lze vidět okraje bází, jejichž prstence jsou umístěny v rovině kolmé k podélné ose makromolekuly.
V dvojité šroubovici jsou malé (12 Å) a velké (22 Å) drážky [24] . Proteiny, jako jsou transkripční faktory , které se připojují ke specifickým sekvencím dvouřetězcové DNA, obvykle interagují s okraji báze v hlavním žlábku, kde jsou dostupnější [25] .
Každá báze na jednom z vláken je spojena s jednou specifickou bází na druhém řetězci. Taková specifická vazba se nazývá komplementární . Puriny jsou komplementární k pyrimidinům (tj. schopné s nimi tvořit vodíkové vazby): adenin tvoří vazby pouze s thyminem a cytosin s guaninem. V dvojité šroubovici jsou řetězce také spojeny hydrofobními interakcemi a vrstvením , které jsou nezávislé na sekvenci bází DNA [26] .
Komplementarita dvojité šroubovice znamená, že informace obsažené v jednom řetězci jsou obsaženy i v druhém řetězci. Reverzibilita a specificita interakcí mezi komplementárními páry bází je důležitá pro replikaci DNA a všechny další funkce DNA v živých organismech.
Vzhledem k tomu, že vodíkové vazby jsou nekovalentní , snadno se lámou a obnovují. Dvoušroubovicové řetězce se mohou rozbíhat jako zip působením enzymů ( helikázy ) nebo při vysoké teplotě [27] . Různé páry bází tvoří různé počty vodíkových vazeb. AT jsou spojeny dvěma, GC třemi vodíkovými vazbami, takže k přerušení GC je potřeba více energie. Procento HC párů a délka molekuly DNA určují množství energie potřebné k disociaci řetězců: dlouhé molekuly DNA s vysokým obsahem HC jsou odolnější [28] . Teplota tání nukleových kyselin závisí na iontovém prostředí a zvýšení iontové síly stabilizuje DNA proti denaturaci. Když se k DNA přidá chlorid sodný , existuje lineární vztah mezi teplotou tání a logaritmem iontové síly roztoku. Předpokládá se, že přidání elektrolytu vede ke screeningu nábojů ve vláknech DNA a tím snižuje elektrostatické odpudivé síly mezi nabitými fosfátovými skupinami, což přispívá k tuhosti struktury. Podobně teplotu tání DNA zvyšují ionty manganu, kobaltu, zinku a niklu, ale ionty mědi, kadmia a olova ji naopak snižují [29] .
Části molekul DNA, které by měly být díky své funkci snadno oddělitelné, jako je sekvence TATA v bakteriálních promotorech , obvykle obsahují velké množství A a T.
Dusíkaté báze v DNA mohou být kovalentně modifikovány, čehož se využívá při regulaci genové exprese. Například v buňkách obratlovců je methylace cytosinu za vzniku 5-methylcytosinu využívána somatickými buňkami k předání profilu genové exprese dceřiným buňkám. Metylace cytosinu neovlivňuje párování bází ve dvoušroubovici DNA. U obratlovců je methylace DNA v somatických buňkách omezena na metylaci cytosinu v sekvenci CH [30] . Průměrná úroveň metylace se u různých organismů liší, např. u háďátka Caenorhabditis elegans není pozorována methylace cytosinu, zatímco vysoká úroveň metylace, až 1 %, byla zjištěna u obratlovců [31] . Mezi další modifikace báze patří methylace adeninu v bakteriích a glykosylace uracilu za vzniku „J-báze“ v kinetoplastech [32] .
Metylace cytosinu s tvorbou 5-methylcytosinu v promotorové části genu koreluje s jeho neaktivním stavem [33] . Metylace cytosinu je také důležitá pro inaktivaci chromozomu X u savců [34] . Metylace DNA se používá při genomovém imprintingu [35] . Během karcinogeneze dochází k významným poruchám v profilu metylace DNA [36] .
Navzdory své biologické roli může 5-methylcytosin spontánně ztratit svou aminoskupinu (deaminát) a přeměnit se na thymin , takže metylované cytosiny jsou zdrojem zvýšeného počtu mutací [37] .
DNA může být poškozena řadou mutagenů , mezi které patří oxidující a alkylační látky, stejně jako vysokoenergetické elektromagnetické záření – ultrafialové a rentgenové záření . Typ poškození DNA závisí na typu mutagenu. Například ultrafialové záření poškozuje DNA tím, že v ní tvoří thyminové dimery, ke kterým dochází při tvorbě kovalentních vazeb mezi sousedními bázemi [39] .
Oxidanty, jako jsou volné radikály nebo peroxid vodíku , způsobují několik typů poškození DNA, včetně modifikací bází, zejména guanosinu, a také dvouřetězcových zlomů v DNA [40] . Podle některých odhadů je oxidujícími sloučeninami v každé lidské buňce denně poškozeno asi 500 bází [41] [42] . Mezi různými typy poškození jsou nejnebezpečnější dvouřetězcové zlomy, protože se obtížně opravují a mohou vést ke ztrátě úseků chromozomů ( delece ) a translokacím .
Mnoho mutagenních molekul se vkládá ( interkaluje ) mezi dva sousední páry bází. Většina z těchto sloučenin, například: ethidium bromid , daunorubicin , doxorubicin a thalidomid , mají aromatickou strukturu. Aby se mezi základny vešla interkalační sloučenina, musí se oddělit, rozvinout a rozbít strukturu dvoušroubovice. Tyto změny ve struktuře DNA narušují replikaci , způsobují mutace a transkripci . Proto jsou interkalační sloučeniny často karcinogeny , z nichž nejznámější jsou benzopyren , akridiny , aflatoxin a ethidium bromid [43] [44] [45] . Navzdory těmto negativním vlastnostem se interkalátory díky své schopnosti inhibovat transkripci a replikaci DNA používají v chemoterapii k potlačení rychle rostoucích rakovinných buněk [46] .
Některé látky ( cisplatina [47] , mitomycin C [48] , psoralen [49] ) tvoří příčné vazby mezi řetězci DNA a inhibují syntézu DNA, díky čemuž se používají v chemoterapii některých typů rakoviny (viz Chemoterapie maligních novotvary ).
Pokud vezmete konce lana a začnete je kroutit v různých směrech, zkrátí se a na laně se vytvoří „super cívky“. DNA může být také supercoiled. V normálním stavu udělá řetězec DNA jednu otáčku každých 10,4 párů bází, ale v supersvinutém stavu může být šroubovice pevnější nebo rozpletená [50] . Existují dva typy supertwistingu: pozitivní - ve směru normálních zatáček, ve kterých jsou základny umístěny blíže k sobě; a negativní v opačném směru. V přírodě jsou molekuly DNA obvykle v negativním supercoilingu, který je zaveden enzymy, topoizomerázami [51] . Tyto enzymy odstraňují další kroucení, ke kterému dochází v DNA v důsledku transkripce a replikace [52] .
Na koncích lineárních chromozomů jsou specializované struktury DNA zvané telomery . Hlavní funkcí těchto oblastí je udržovat integritu konců chromozomů [54] . Telomery také chrání konce DNA před degradací exonukleázami a zabraňují aktivaci opravného systému [55] . Protože konvenční DNA polymerázy nemohou replikovat 3' konce chromozomů, dělá to speciální enzym telomeráza .
V lidských buňkách jsou telomery často představovány jednovláknovou DNA a sestávají z několika tisíc opakujících se jednotek sekvence TTAGGG [56] . Tyto sekvence bohaté na guanin stabilizují konce chromozomů a vytvářejí velmi neobvyklé struktury nazývané G-kvadruplexy , které sestávají spíše ze čtyř než ze dvou interagujících bází. Čtyři guaninové báze, jejichž všechny atomy jsou ve stejné rovině, tvoří desku stabilizovanou vodíkovými vazbami mezi bázemi a chelací kovového iontu v jejím středu (nejčastěji draslíku ). Tyto desky jsou naskládány nad sebou [57] .
Na koncích chromozomů se mohou tvořit i jiné struktury: báze mohou být umístěny v jednom řetězci nebo v různých paralelních řetězcích. Kromě těchto „hromadných“ struktur tvoří telomery velké smyčkové struktury nazývané T-smyčky nebo telomerické smyčky. V nich se jednovláknová DNA nachází ve formě širokého prstence stabilizovaného telomerickými proteiny [58] . Na konci T-smyčky se jednovláknová telomerická DNA spojí s dvouvláknovou DNA, čímž se naruší párování vláken v této molekule a vytvoří se vazby s jedním z vláken. Tato třívláknová formace se nazývá D-loop (z anglického displacement loop ) [57] .
DNA je nositelem genetické informace , zapsané jako sekvence nukleotidů pomocí genetického kódu . S molekulami DNA jsou spojeny dvě základní vlastnosti živých organismů - dědičnost a variabilita . Během procesu zvaného replikace DNA se vytvoří dvě kopie původního řetězce, které při dělení zdědí dceřiné buňky , což znamená, že výsledné buňky jsou geneticky identické s původními.
Genetická informace je realizována během genové exprese v procesech transkripce (syntéza molekul RNA na templátu DNA) a translace (syntéza proteinů na templátu RNA ).
Sekvence nukleotidů „kóduje“ informace o různých typech RNA: informační nebo templátové ( mRNA ), ribozomální ( rRNA ) a transportní ( tRNA ). Všechny tyto typy RNA jsou syntetizovány z DNA procesem transkripce . Jejich role v biosyntéze proteinů ( translační proces ) je odlišná. Messenger RNA obsahuje informace o sekvenci aminokyselin v proteinu , ribozomální RNA slouží jako základ pro ribozomy (komplexní nukleoproteinové komplexy, jejichž hlavní funkcí je sestavení proteinu z jednotlivých aminokyselin na základě mRNA), přenosová RNA doručí amino kyseliny do místa sestavení proteinu - do aktivního centra ribozomu, "plíživého" podél mRNA.
Většina přirozené DNA má dvouvláknovou strukturu, buď lineární ( eukaryota , některé viry a určité rody bakterií ) nebo kruhovou ( prokaryota , chloroplasty a mitochondrie ). Některé viry a bakteriofágy obsahují lineární jednovláknovou DNA . Molekuly DNA jsou in vivo v hustě sbaleném, kondenzovaném stavu [59] . V eukaryotických buňkách se DNA nachází především v jádře a ve stadiu profáze, metafáze nebo anafáze mitózy je k dispozici pro pozorování pomocí světelného mikroskopu ve formě sady chromozomů . Bakteriální (prokaryotní) DNA je obvykle reprezentována jednou kruhovou molekulou DNA umístěnou v nepravidelně tvarovaném útvaru v cytoplazmě zvaném nukleoid [60] . Genetická informace genomu je tvořena geny. Gen je jednotka přenosu dědičné informace a úsek DNA, který ovlivňuje určitou charakteristiku organismu. Gen obsahuje otevřený čtecí rámec , který je transkribován, stejně jako regulační sekvencejako je promotor a zesilovač , které řídí expresi otevřených čtecích rámců.
U mnoha druhů pouze malá část celkové sekvence genomu kóduje proteiny. Pouze asi 1,5 % lidského genomu tedy tvoří exony kódující protein a více než 50 % lidské DNA tvoří nekódující repetitivní sekvence DNA [61] . Důvody přítomnosti tak velkého množství nekódující DNA v eukaryotických genomech a obrovský rozdíl ve velikosti genomu (C-hodnota) jsou jednou z nevyřešených vědeckých záhad [62] ; výzkum v této oblasti také ukazuje na velké množství fragmentů reliktních virů v této části DNA.
V současné době se hromadí stále více dat, která odporují myšlence nekódujících sekvencí jako „junk DNA“ ( angl. junk DNA ). Telomery a centromery obsahují málo genů, ale jsou důležité pro funkci a stabilitu chromozomů [55] [63] . Běžnou formou lidských nekódujících sekvencí jsou pseudogeny , kopie genů inaktivovaných v důsledku mutací [64] . Tyto sekvence jsou něco jako molekulární fosílie , i když někdy mohou sloužit jako výchozí materiál pro genovou duplikaci a následnou divergenci [65] . Dalším zdrojem proteinové diverzity v těle je použití intronů jako „řezaných a lepených linií“ v alternativním sestřihu [66] . Konečně sekvence nekódující protein mohou kódovat buněčné pomocné RNA , jako jsou snRNA [67] . Nedávná transkripční studie lidského genomu ukázala, že z 10 % genomu vzniká polyadenylovaná RNA [68] a studie myšího genomu ukázala, že 62 % z ní je transkribováno [69] .
Genetická informace zakódovaná v DNA musí být přečtena a nakonec vyjádřena při syntéze různých biopolymerů , které tvoří buňky. Sekvence bází ve řetězci DNA přímo určuje sekvenci bází v RNA , na kterou je „přepsána“ v procesu zvaném transkripce. V případě mRNA tato sekvence definuje aminokyseliny proteinu. Vztah mezi nukleotidovou sekvencí mRNA a sekvencí aminokyselin je určen translačními pravidly , která se nazývají genetický kód . Genetický kód se skládá ze třípísmenných „slov“ zvaných kodony , skládající se ze tří nukleotidů (tj. ACT, CAG, TTT atd.). Během transkripce jsou nukleotidy genu zkopírovány na syntetizovanou RNA pomocí RNA polymerázy . Tato kopie, v případě mRNA, je dekódována ribozomem , který „čte“ sekvenci mRNA spárováním messenger RNA s přenosovou RNA , která je připojena k aminokyselinám. Protože se ve 3písmenných kombinacích používají 4 báze, existuje celkem 64 kodonů (4³ kombinace). Kodony kódují 20 standardních aminokyselin, z nichž každá ve většině případů odpovídá více než jednomu kodonu. Jeden ze tří kodonů, které se nacházejí na konci mRNA, neznamená aminokyselinu a určuje konec proteinu, jedná se o „stop“ nebo „nesmyslné“ kodony – TAA, TGA, TAG.
Dělení buněk je nezbytné pro reprodukci jednobuněčného organismu a růst mnohobuněčného organismu, ale před dělením musí buňka duplikovat genom, aby dceřiné buňky obsahovaly stejnou genetickou informaci jako původní buňka. Z několika teoreticky možných mechanismů zdvojení (replikace) DNA je realizován jeden semikonzervativní. Tyto dva řetězce jsou odděleny a poté je každá chybějící komplementární sekvence DNA reprodukována enzymem DNA polymerázou . Tento enzym syntetizuje polynukleotidový řetězec nalezením správného nukleotidu pomocí komplementárního párování bází a jeho přidáním do rostoucího řetězce. DNA polymeráza nemůže spustit nový řetězec, ale může pouze vybudovat stávající, takže potřebuje krátký řetězec nukleotidů - ( primer ) syntetizovaný primázou . Protože DNA polymerázy mohou syntetizovat řetězec pouze ve směru 5' --> 3', antiparalelní řetězce DNA se kopírují různými způsoby: jeden řetězec je syntetizován nepřetržitě, zatímco druhý řetězec je nespojitý [70] .
Všechny funkce DNA závisí na její interakci s proteiny. Interakce mohou být nespecifické, kdy se protein váže na jakoukoli molekulu DNA, nebo závisí na přítomnosti konkrétní sekvence. Enzymy mohou také interagovat s DNA, z nichž nejdůležitější jsou RNA polymerázy , které kopírují sekvenci bází DNA do RNA při transkripci nebo při syntéze nového řetězce DNA - replikace .
Dobře prostudovaným příkladem interakce proteinů a DNA, která nezávisí na nukleotidové sekvenci DNA, je interakce se strukturálními proteiny. V buňce je DNA navázána na tyto proteiny a vytváří kompaktní strukturu zvanou chromatin . U eukaryot se chromatin tvoří navázáním malých alkalických proteinů, histonů, na DNA, méně uspořádaný prokaryotický chromatin obsahuje proteiny podobné histonům [71] [72] . Histony tvoří proteinovou strukturu ve tvaru disku - nukleozom , kolem každého z nich jsou umístěny dva závity šroubovice DNA. Nespecifické vazby mezi histony a DNA se tvoří díky iontovým vazbám alkalických aminokyselin histonů a kyselých zbytků cukerně-fosfátové páteře DNA [73] . Chemické modifikace těchto aminokyselin zahrnují methylaci, fosforylaci a acetylaci [74] . Tyto chemické modifikace mění sílu interakce mezi DNA a histony, ovlivňují dostupnost specifických sekvencí pro transkripční faktory a mění rychlost transkripce [75] . Další proteiny v chromatinu, které se vážou na nespecifické sekvence, jsou proteiny s vysokou pohyblivostí v gelech, které se většinou spojují se složenou DNA [76] . Tyto proteiny jsou důležité pro tvorbu struktur vyššího řádu v chromatinu [77] .
Zvláštní skupinou proteinů, které se připojují k DNA, jsou proteiny, které se spojují s jednovláknovou DNA. Nejlépe charakterizovaným proteinem této skupiny u lidí je replikační protein A, bez kterého nemůže nastat většina procesů, při kterých se dvojitá šroubovice odvíjí, včetně replikace, rekombinace a opravy . Proteiny této skupiny stabilizují jednovláknovou DNA a zabraňují tvorbě nebo degradaci stonkové smyčky nukleázami [78] .
Současně jiné proteiny rozpoznávají a připojují se ke specifickým sekvencím. Nejvíce studovanou skupinou takových proteinů jsou různé třídy transkripčních faktorů , tedy proteiny regulující transkripci . Každý z těchto proteinů rozpoznává sekvenci, často v promotoru , a aktivuje nebo potlačuje genovou transkripci. K tomu dochází spojením transkripčních faktorů s RNA polymerázou , buď přímo, nebo prostřednictvím intermediárních proteinů. Polymeráza se nejprve spojí s proteiny a poté zahájí transkripci [79] . V jiných případech se mohou transkripční faktory vázat na enzymy , které modifikují histony umístěné na promotorech , což mění dostupnost DNA pro polymerázy [80] .
Protože se specifické sekvence vyskytují na mnoha místech v genomu , změny v aktivitě jednoho typu transkripčního faktoru mohou změnit aktivitu tisíců genů [81] . V souladu s tím jsou tyto proteiny často regulovány v reakci na změny prostředí, vývoj organismu a diferenciaci buněk . Specifičnost interakce transkripčních faktorů s DNA je zajištěna četnými kontakty mezi aminokyselinami a bázemi DNA, což jim umožňuje „číst“ sekvenci DNA. Většina kontaktů základny se vyskytuje v hlavní drážce, kde jsou základny lépe přístupné [25] .
V buňce se DNA nachází v kompaktní, tzv. v superzkrouceném stavu, jinak by se do něj nevešla. Aby proběhly životně důležité procesy, musí být rozpletena DNA, kterou produkují dvě skupiny proteinů – topoizomerázy a helikázy.
Topoizomerázy jsou enzymy, které mají jak nukleázovou, tak ligázovou aktivitu. Mění stupeň supercoilingu v DNA. Některé z těchto enzymů přerušují šroubovici DNA a umožňují rotaci jednoho z vláken, čímž snižují úroveň supercoilingu, načež enzym mezeru uzavírá [51] . Jiné enzymy mohou přeříznout jeden z řetězců a protáhnout druhý řetězec přerušením a poté přerušit přerušení v prvním řetězci [82] . Topoizomerázy jsou nezbytné v mnoha procesech souvisejících s DNA, jako je replikace a transkripce [52] .
Helikázy jsou proteiny, které jsou jedním z molekulárních motorů . Používají chemickou energii nukleotidových trifosfátů , nejčastěji ATP , k rozbití vodíkových vazeb mezi bázemi, čímž rozvinou dvojitou šroubovici do samostatných vláken [83] . Tyto enzymy jsou nezbytné pro většinu procesů, kde proteiny potřebují přístup k bázím DNA.
Nukleázy a ligázyV různých procesech probíhajících v buňce, jako je rekombinace a oprava , jsou zapojeny enzymy, které mohou řezat a obnovovat integritu řetězců DNA. Enzymy, které štěpí DNA, se nazývají nukleázy. Nukleázy, které hydrolyzují nukleotidy na koncích molekuly DNA, se nazývají exonukleázy, zatímco endonukleázy štěpí DNA uvnitř vlákna. Nejčastěji používanými nukleázami v molekulární biologii a genetickém inženýrství jsou restrikční endonukleázy (restrikční enzymy), které štěpí DNA kolem specifických sekvencí. Například enzym EcoRV (restrikční enzym #5 z ' E. coli ' ) rozpoznává šestinukleotidovou sekvenci 5'-GAT|ATC-3' a štěpí DNA v místě označeném svislou čarou. V přírodě tyto enzymy chrání bakterie před bakteriofágovou infekcí tím, že rozřezávají DNA fága, když je zavedena do bakteriální buňky. V tomto případě jsou nukleázy součástí systému omezení modifikace [84] . DNA ligázy „sešívají“ konce fragmentů DNA dohromady a katalyzují tvorbu fosfodiesterové vazby pomocí energie ATP . Restrikční nukleázy a ligázy se používají při klonování a snímání otisků prstů .
PolymerázyExistuje také skupina enzymů důležitých pro metabolismus DNA, které syntetizují řetězce polynukleotidů z nukleosidtrifosfátů - DNA polymeráza. Přidávají nukleotidy k 3'- hydroxylové skupině předchozího nukleotidu v řetězci DNA, takže všechny polymerázy pracují ve směru 5'-->3' [85] . V aktivním centru těchto enzymů se substrát – nukleosidtrifosfát – páruje s komplementární bází jako součást jednovláknového polynukleotidového řetězce – templátu.
Během replikace DNA syntetizuje DNA-dependentní DNA polymeráza kopii původní sekvence DNA. Přesnost je v tomto procesu velmi důležitá, protože chyby v polymeraci povedou k mutacím , takže mnoho polymeráz má schopnost "editovat" - opravovat chyby. Polymeráza rozpozná chyby v syntéze nedostatkem párování mezi nesprávnými nukleotidy. Jakmile není stanoveno žádné páření, aktivuje se 3'-->5' exonukleázová aktivita polymerázy a chybná báze se odstraní [86] . Ve většině organismů fungují DNA polymerázy jako velký komplex nazývaný replikóm , který obsahuje četné další podjednotky, jako jsou helikázy [87] .
RNA-dependentní DNA polymerázy jsou specializovaným typem polymeráz, které kopírují sekvenci RNA na DNA. Tento typ zahrnuje reverzní transkriptázu , která je obsažena v retrovirech a používá se při buněčné infekci, a také telomerázu , která je nezbytná pro replikaci telomer [88] . Telomeráza je neobvyklý enzym, protože obsahuje vlastní messenger RNA [55] .
Transkripce se provádí pomocí DNA-dependentní RNA polymerázy , která kopíruje sekvenci DNA jednoho vlákna na mRNA . Na začátku transkripce genu se RNA polymeráza připojí k sekvenci na začátku genu, nazývané promotor , a rozvine šroubovici DNA. Poté zkopíruje sekvenci genu na messenger RNA, dokud nedosáhne oblasti DNA na konci genu, terminátoru , kde se zastaví a odpojí se od DNA. Stejně jako lidská DNA-dependentní DNA polymeráza, RNA polymeráza II, která přepisuje většinu genů v lidském genomu , funguje jako součást velkého proteinového komplexu obsahujícího regulační a další jednotky [89] .
Dvojšroubovice DNA normálně neinteraguje s jinými segmenty DNA a v lidských buňkách jsou různé chromozomy prostorově odděleny v jádře [90] . Tato vzdálenost mezi různými chromozomy je důležitá pro schopnost DNA fungovat jako stabilní nosič informace. V procesu rekombinace pomocí enzymů dochází k přerušení dvou řetězců DNA, výměně sekcí, po kterých je obnovena kontinuita helixů, takže výměna sekcí nehomologních chromozomů může poškodit integritu genetického materiálu.
Rekombinace umožňuje chromozomům vyměňovat si genetickou informaci, což má za následek tvorbu nových kombinací genů, což zvyšuje efektivitu přirozeného výběru a je důležité pro rychlou evoluci nových proteinů [91] . Genetická rekombinace také hraje roli při opravě , zejména v reakci buňky na porušení obou řetězců DNA [92] .
Nejběžnější formou křížení je homologní rekombinace , kdy chromozomy zapojené do rekombinace mají velmi podobné sekvence. Někdy se transpozony chovají jako oblasti homologie . Nehomologní rekombinace může vést k poškození buněk, protože translokace jsou výsledkem takové rekombinace . Rekombinační reakce je katalyzována enzymy nazývanými rekombinázy, jako je Cre. V prvním kroku reakce rekombináza přeruší jeden z řetězců DNA, což tomuto řetězci umožní oddělit se od komplementárního řetězce a připojit se k jednomu z řetězců druhé chromatidy . Druhý zlom ve vláknu druhé chromatidy jí také umožňuje oddělit a spojit nepárové vlákno z první chromatidy, čímž vznikne Hollidayova struktura . Hollidayova struktura se může pohybovat po spojeném páru chromozomů a místy měnit řetězce. Rekombinační reakce je dokončena, když enzym přeruší spojení a dva řetězce jsou ligovány [93] .
DNA obsahuje genetickou informaci, která umožňuje život, růst, vývoj a reprodukci všem moderním organismům. Jak dlouho během čtyř miliard let historie života na Zemi byla DNA hlavním nositelem genetické informace, však není známo. Existují hypotézy, že RNA hrála ústřední roli v metabolismu , protože může nést genetickou informaci a katalyzovat pomocí ribozymů [94] [95] [96] . Kromě toho je RNA jednou z hlavních složek "proteinových továren" - ribozomů . Starověký svět RNA, kde se nukleová kyselina používala jak pro katalýzu, tak pro přenos informací, by mohl sloužit jako zdroj moderního čtyřbázového genetického kódu. To mohlo být způsobeno tím, že počet bází v těle byl kompromisem mezi malým počtem bází, které zvyšovaly věrnost replikace , a velkým počtem bází, které zvyšovaly katalytickou aktivitu ribozymů [97] .
Bohužel starověké genetické systémy nepřežily dodnes. DNA v prostředí přetrvává v průměru 1 milion let, postupně se degraduje na krátké fragmenty. Extrakce DNA z bakteriálních spor zachycených v krystalech soli před 250 miliony let a stanovení sekvence genu 16S rRNA [98] je předmětem živé diskuse ve vědecké komunitě [99] [100] .
Slovníky a encyklopedie | ||||
---|---|---|---|---|
|
nukleových kyselin | Typy||||
---|---|---|---|---|
Dusíkaté báze | ||||
Nukleosidy | ||||
Nukleotidy | ||||
RNA | ||||
DNA | ||||
Analogy | ||||
Vektorové typy |
| |||
|
Genetika | ||
---|---|---|
Klíčové koncepty | ||
Obory genetiky | ||
vzory | ||
související témata |