Pin
Send
Share
Send


Na górze a GC para zasad z trzema wiązaniami wodorowymi. Na dnie, W para zasad z dwoma wiązaniami wodorowymi. Wiązania wodorowe pokazano jako linie przerywane.

Każdy typ podstawy na jednej nici tworzy połączenie z tylko jednym rodzajem podstawy na drugiej nici. Nazywa się to komplementarnym parowaniem zasad. W tym przypadku puryny tworzą wiązania wodorowe z pirymidynami, z wiązaniem A tylko z T, a C tylko z G. Ten układ dwóch nukleotydów łączących się w poprzek podwójnej helisy nazywany jest parą zasad. W podwójnej helisie dwie nici są również utrzymywane razem przez siły generowane przez efekt hydrofobowy i układanie pi, na które nie ma wpływu sekwencja DNA.25 Ponieważ wiązania wodorowe nie są kowalencyjne, można je łatwo przerwać i połączyć ponownie. Dwie nici DNA w podwójnej helisie można zatem rozdzielić jak zamek błyskawiczny, albo za pomocą siły mechanicznej, albo wysokiej temperatury.26 W wyniku tej komplementarności wszystkie informacje w sekwencji dwuniciowej helisy DNA są powielane na każdej nici, co jest niezbędne w replikacji DNA. Rzeczywiście, ta odwracalna i specyficzna interakcja między komplementarnymi parami zasad ma kluczowe znaczenie dla wszystkich funkcji DNA w żywych organizmach.14

Dwa typy par zasad tworzą różną liczbę wiązań wodorowych, AT tworzy dwa wiązania wodorowe, a GC tworzy trzy wiązania wodorowe (patrz rysunki po lewej). Para zasad GC jest zatem silniejsza niż para zasad AT. W rezultacie zarówno procent par zasad GC, jak i całkowita długość podwójnej helisy DNA determinują siłę powiązania między dwiema niciami DNA. Długie helisy DNA o wysokiej zawartości GC mają nici silniej oddziałujące, podczas gdy krótkie helisy o wysokiej zawartości AT mają słabo oddziałujące nici.27 Części podwójnej helisy DNA, które należy łatwo oddzielić, takie jak pudełko TATAAT Pribnow w promotorach bakteryjnych, mają zwykle sekwencje o wysokiej zawartości AT, dzięki czemu nici są łatwiejsze do oddzielenia.28 W laboratorium siłę tego oddziaływania można zmierzyć przez znalezienie temperatury wymaganej do zerwania wiązań wodorowych, ich temperatury topnienia (zwanej także T.m wartość). Gdy wszystkie pary zasad w podwójnej helisie DNA topią się, nici oddzielają się i istnieją w roztworze jako dwie całkowicie niezależne cząsteczki. Te jednoniciowe cząsteczki DNA nie mają jednego wspólnego kształtu, ale niektóre konformacje są bardziej stabilne niż inne.29

Rozważny i antysensowny

Sekwencja DNA nazywa się „sensowną”, jeśli jej sekwencja jest taka sama jak sekwencji przekaźnikowego RNA, która jest tłumaczona na białko. Sekwencja na przeciwnej nici jest komplementarna do sekwencji sensownej i dlatego jest nazywana sekwencją „antysensowną”. Ponieważ polimerazy RNA działają poprzez tworzenie komplementarnej kopii ich szablonów, to ta antysensowna nić jest matrycą do wytwarzania sensownego przekaźnika RNA. Zarówno sekwencje sensowna, jak i antysensowna mogą istnieć na różnych częściach tej samej nici DNA (to znaczy obie nici zawierają zarówno sekwencje sensowne, jak i antysensowne).

Zarówno u prokariontów, jak i eukariotów wytwarzane są antysensowne sekwencje RNA, ale funkcje tych RNA nie są całkowicie jasne.30 Jedna z propozycji jest taka, że ​​antysensowne RNA biorą udział w regulacji ekspresji genów poprzez parowanie zasad RNA-RNA.31

Kilka sekwencji DNA w prokariotach i eukariotach, a więcej w plazmidach i wirusach, zaciera rozróżnienie dokonane powyżej pomiędzy nicią sensowną i antysensowną poprzez nakładanie się genów.32 W tych przypadkach niektóre sekwencje DNA pełnią podwójną funkcję, kodując jedno białko, gdy odczytuje 5 'do 3' wzdłuż jednej nici, a drugie białko, gdy odczytuje się w przeciwnym kierunku (wciąż 5 'do 3') wzdłuż drugiej nici. W przypadku bakterii to nakładanie się może brać udział w regulacji transkrypcji genów,33 podczas gdy w wirusach nakładające się geny zwiększają ilość informacji, które można zakodować w małym genomie wirusowym.34 Inny sposób zmniejszania wielkości genomu jest obserwowany w niektórych wirusach, które zawierają liniowy lub kołowy jednoniciowy DNA jako materiał genetyczny.3536

Supercoiling

DNA może być skręcone jak lina w procesie zwanym superskręceniem DNA. Gdy DNA jest w stanie „zrelaksowanym”, nić zwykle krąży wokół osi podwójnej helisy raz na 10,4 par zasad, ale jeśli DNA jest skręcone, nici stają się bardziej ciasno lub luźniej zwijane.37 Jeśli DNA jest skręcone w kierunku helisy, jest to dodatnia superskręcalność, a zasady są ściślej utrzymywane razem. Jeśli są skręcone w przeciwnym kierunku, jest to ujemny superskręcenie, a podstawy łatwiej się rozpadają.

W naturze większość DNA ma nieznacznie ujemny superskręcenie, które jest wprowadzane przez enzymy zwane topoizomerazami.38 Enzymy te są również potrzebne do zmniejszenia naprężeń skręcających wprowadzonych do nici DNA podczas procesów takich jak transkrypcja i replikacja DNA.39

Od lewej do prawej struktury DNA A, B i Z

Alternatywne struktury podwójnie helikalne

DNA istnieje w kilku możliwych konformacjach. Dotychczas zidentyfikowane konformacje to: A-DNA, B-DNA, C-DNA, D-DNA,40 E-DNA,41 H-DNA,42 L-DNA,40 P-DNA,43 i Z-DNA.2044 Jednak tylko A-DNA, B-DNA i Z-DNA zaobserwowano w naturalnie występujących układach biologicznych.

To, jaką konformację przyjmuje DNA, zależy od sekwencji DNA, ilości i kierunku superskręcania, chemicznych modyfikacji zasad, a także warunków roztworu, takich jak stężenie jonów metali i poliamin.45 Z tych trzech konformacji opisana powyżej postać „B” występuje najczęściej w warunkach występujących w komórkach.46 Dwie alternatywne formy podwójnie helikalne DNA różnią się geometrią i wymiarami.

Forma A jest szerszą prawoskrętną spiralą, z płytkim, szerokim mniejszym rowkiem i węższym, głębszym głównym rowkiem. Postać A występuje w warunkach niefizjologicznych w odwodnionych próbkach DNA, natomiast w komórce może być wytwarzana w hybrydowych parach nici DNA i RNA, a także w kompleksach enzym-DNA.4748 Segmenty DNA, w których zasady zostały chemicznie zmodyfikowane przez metylację, mogą ulec większej zmianie w konformacji i przyjąć postać Z. Tutaj pasma obracają się wokół spiralnej osi w lewoskrętnej spirali, przeciwnie do bardziej powszechnej postaci B.49 Te niezwykłe struktury można rozpoznać po specyficznych białkach wiążących Z-DNA i mogą brać udział w regulacji transkrypcji.50

Struktura kwadrupleksu DNA utworzonego przez powtórzenia telomerowe. Konformacja szkieletu DNA znacznie odbiega od typowej spiralnej struktury.

Struktury Quadruplex

Na końcach liniowych chromosomów znajdują się wyspecjalizowane regiony DNA zwane telomerami. Główną funkcją tych regionów jest umożliwienie komórce replikacji końców chromosomów za pomocą enzymu telomerazy, ponieważ enzymy, które normalnie replikują DNA, nie mogą kopiować skrajnych 3 'końców chromosomów.51 W rezultacie, jeśli chromosomowi brakuje telomerów, będzie się on skracał za każdym razem, gdy zostanie zreplikowany. Te wyspecjalizowane nakrętki chromosomowe pomagają również chronić końce DNA przed egzonukleazami i powstrzymują systemy naprawy DNA w komórce przed traktowaniem ich jako uszkodzenia, które należy naprawić.52 W komórkach ludzkich telomery mają zwykle długość jednoniciowego DNA zawierającego kilka tysięcy powtórzeń prostej sekwencji TTAGGG.53

Te bogate w guaninę sekwencje mogą stabilizować końce chromosomów, tworząc bardzo nietypowe struktury w stosach zestawów jednostek czterech zasad, zamiast zwykłych par zasad występujących w innych cząsteczkach DNA. Tutaj cztery zasady guaniny tworzą płaską płytę, a te płaskie cztero-bazowe jednostki układają się jeden na drugim, tworząc stabilną G-kwadrupleks Struktura.54 Struktury te są stabilizowane przez wiązanie wodorowe między krawędziami zasad i chelatowanie jonu metalu w środku każdej jednostki czterech zasad. Struktura pokazana po lewej stronie jest widokiem kwadrupleksu utworzonego przez sekwencję DNA znalezioną w ludzkich powtórzeniach telomerowych. Pojedyncza nić DNA tworzy pętlę z zestawami czterech zasad ułożonymi w centralny kwadrupleks o głębokości trzech płytek. W przestrzeni pośrodku ułożonych w stos zasad znajdują się trzy chelatowane jony potasu.55 Można również tworzyć inne struktury, z centralnym zestawem czterech podstaw pochodzących z pojedynczego pasma złożonego wokół podstaw lub z kilku różnych równoległych pasm, z których każda stanowi jedną bazę do centralnej struktury.

Oprócz tych ułożonych w stos struktur telomery tworzą również duże struktury pętlowe zwane pętlami telomerów lub pętlami T. Tutaj jednoniciowy DNA zwija się w długim kole stabilizowanym przez białka wiążące telomer.56 Na samym końcu pętli T jednoniciowy DNA telomeru jest utrzymywany w obszarze dwuniciowego DNA przez nić telomerową, która zaburza parowanie podwójnie helikalnego DNA i zasady z jedną z dwóch nici. Ta potrójna struktura nazywana jest pętlą wypornościową lub pętlą D.54

Modyfikacje chemiczne

cytozyna5-metylcytozynatymina Struktura cytozyny z i bez grupy 5-metylowej. Po deaminacji 5-metylcytozyna ma taką samą strukturę jak tymina

Podstawowe modyfikacje

Na ekspresję genów ma wpływ struktura chromatyny chromosomu, a regiony heterochromatyny (niska lub brak ekspresji genów) korelują z metylacją cytozyny. Na przykład metylacja cytozyny, w celu wytworzenia 5-metylcytozyny, jest ważna dla inaktywacji chromosomu X.57 Średni poziom metylacji różni się w zależności od organizmu, przy czym Caenorhabditis elegans brak metylacji cytozyny, podczas gdy kręgowce wykazują wyższe poziomy, przy czym do 1% ich DNA zawiera 5-metylocytozynę.58 Pomimo biologicznej roli 5-metylcytozyny podatne jest na spontaniczne deaminowanie, aby opuścić zasadę tyminy, a zatem metylowane cytozyny są gorącymi miejscami mutacji.59 Inne modyfikacje zasad obejmują metylację adeniny w bakteriach i glikozylację uracylu z wytworzeniem „zasady J” w kinetoplastidach.6061

Uszkodzenie DNA

Dalsze informacje: Mutacja
Benzopiren, główny mutagen dymu tytoniowego, w addukcie do DNA.62

DNA może zostać uszkodzone przez wiele różnych mutagenów. Obejmują one środki utleniające, środki alkilujące, a także wysokoenergetyczne promieniowanie elektromagnetyczne, takie jak światło ultrafioletowe i promieniowanie rentgenowskie. Rodzaj wytworzonego uszkodzenia DNA zależy od rodzaju mutagenu. Na przykład światło ultrafioletowe uszkadza głównie DNA, wytwarzając dimery tyminy, które są wiązaniami poprzecznymi między sąsiadującymi zasadami pirymidynowymi w nici DNA.63 Z drugiej strony utleniacze, takie jak wolne rodniki lub nadtlenek wodoru, powodują wiele form uszkodzeń, w tym modyfikacje zasad, szczególnie guanozyny, a także pęknięcia dwuniciowe.64 Oszacowano, że w każdej komórce ludzkiej około 500 zasad codziennie ulega uszkodzeniom oksydacyjnym.6566 Spośród tych zmian oksydacyjnych najbardziej niebezpieczne są pęknięcia dwuniciowe, ponieważ zmiany te są trudne do naprawy i mogą powodować mutacje punktowe, insercje i delecje z sekwencji DNA, a także translokacje chromosomalne.67

Wiele mutagenów przenika do przestrzeni między dwiema sąsiednimi parami zasad. Interkalatory to głównie aromatyczne i płaskie cząsteczki, i obejmują etydynę, daunomycynę, doksorubicynę i talidomid. Aby interkalator pasował między parami zasad, zasady muszą się rozdzielić, zniekształcając nici DNA poprzez rozwinięcie podwójnej helisy. Te zmiany strukturalne hamują zarówno transkrypcję, jak i replikację DNA, powodując toksyczność i mutacje. W rezultacie interkalatory DNA są często czynnikami rakotwórczymi, przy czym dobrze znanymi przykładami są epoksyd benzopirynodiolu, akrydyny, aflatoksyny i bromek etydyny.686970 Niemniej jednak, ze względu na ich właściwości hamowania transkrypcji i replikacji DNA, są one również stosowane w chemioterapii w celu hamowania szybko rosnących komórek rakowych.71

Przegląd funkcji biologicznych

DNA zwykle występuje w postaci liniowych chromosomów u eukariontów, a chromosomów okrągłych u prokariotów. Zestaw chromosomów w komórce stanowi jej genom. Ludzki genom ma około 3 miliardów par zasad DNA ułożonych w 46 chromosomów.72

Informacje przenoszone przez DNA są przechowywane w sekwencji fragmentów DNA zwanych genami. Przekazywanie informacji genetycznej w genach odbywa się poprzez komplementarne parowanie zasad. Na przykład w transkrypcji, gdy komórka wykorzystuje informacje w genie, sekwencja DNA jest kopiowana do komplementarnej sekwencji RNA poprzez przyciąganie między DNA a prawidłowymi nukleotydami RNA. Zwykle ta kopia RNA jest następnie wykorzystywana do utworzenia pasującej sekwencji białka w procesie zwanym translacją, który zależy od tej samej interakcji między nukleotydami RNA. Alternatywnie komórka może po prostu skopiować swoją informację genetyczną w procesie zwanym replikacją DNA. Szczegóły tych funkcji są omówione w innych artykułach; tutaj skupiamy się na interakcjach między DNA i innymi cząsteczkami, które pośredniczą w funkcjonowaniu genomu.

Struktura genomu

Dalsze informacje: Chromosom, gen

Genomowy DNA znajduje się w jądrze komórkowym eukariotów, a także w niewielkich ilościach w mitochondriach i chloroplastach. U prokariotów DNA znajduje się w ciele o nieregularnym kształcie w cytoplazmie zwanej nukleoidem.73

Informacja genetyczna w genomie jest przechowywana w genach. Gen jest jednostką dziedziczności i jest regionem DNA, który wpływa na określoną cechę organizmu. Geny zawierają otwartą ramkę odczytu, którą można transkrybować, a także sekwencje regulatorowe, takie jak promotory i wzmacniacze, które kontrolują ekspresję otwartej ramki odczytu.

U wielu gatunków tylko niewielka część całkowitej sekwencji genomu koduje białko. Na przykład tylko około 1,5% ludzkiego genomu składa się z eksonów kodujących białko, a ponad 50% ludzkiego DNA składa się z niekodujących powtarzalnych sekwencji.74 Przyczyny obecności tak wielu niekodujących DNA w genomach eukariotycznych i nadzwyczajne różnice w wielkości genomu, lub Wartość C., wśród gatunków stanowią od dawna łamigłówkę zwaną „zagadką o wartości C”.75

Jednak sekwencje DNA, które nie kodują białka, mogą nadal kodować funkcjonalne niekodujące cząsteczki RNA, które biorą udział w regulacji ekspresji genów.76

Polimeraza RNA T7 (niebieska) wytwarzająca mRNA (zielony) z matrycy DNA (pomarańczowy). Utworzono z PDB 1MSW.

Niektóre niekodujące sekwencje DNA odgrywają rolę strukturalną w chromosomach. Telomery i centromery zazwyczaj zawierają kilka genów, ale są ważne dla funkcji i stabilności chromosomów.77 Obfitą formą niekodującego DNA u ludzi są pseudogeny, które są kopiami genów, które zostały wyłączone przez mutację.78 Sekwencje te są zwykle tylko skamielinami molekularnymi, chociaż czasami mogą służyć jako surowy materiał genetyczny do tworzenia nowych genów w procesie duplikacji i dywergencji genów.79

Transkrypcja i tłumaczenie

Gen jest sekwencją DNA, która zawiera informacje genetyczne i może wpływać na fenotyp organizmu. W obrębie genu sekwencja zasad wzdłuż nici DNA określa sekwencję informacyjną RNA, która następnie określa jedną lub więcej sekwencji białkowych. Zależność między sekwencjami nukleotydowymi genów a sekwencjami aminokwasowymi białek jest określana przez reguły translacji, znane łącznie jako kod genetyczny. Kod genetyczny składa się z trzyliterowych „słów” zwanych kodony utworzony z sekwencji trzech nukleotydów (np. ACT, CAG, TTT).

W transkrypcji kodony genu są kopiowane do informacyjnego RNA przez polimerazę RNA. Ta kopia RNA jest następnie dekodowana przez rybosom, który odczytuje sekwencję RNA poprzez parowanie zasad informacyjnego RNA w celu przeniesienia RNA, który przenosi aminokwasy. Ponieważ istnieją 4 zasady w kombinacjach 3-literowych, istnieje 64 możliwych kodonów ( kombinacje). Kodują one dwadzieścia standardowych aminokwasów, dając większość aminokwasów więcej niż jeden możliwy kodon. Istnieją również trzy kodony „stop” lub „nonsensowne” oznaczające koniec regionu kodującego; są to kodony TAA, TGA i TAG.

Replikacja DNA. Podwójna helisa jest rozwijana przez helikazę i topoizomerazę. Następnie jedna polimeraza DNA wytwarza kopię nici wiodącej. Inna polimeraza DNA wiąże się z nicią opóźnioną. Enzym ten tworzy nieciągłe segmenty (zwane fragmentami Okazaki), zanim ligaza DNA połączy je ze sobą.

Replikacja

Podział komórek jest niezbędny do wzrostu organizmu, ale gdy komórka dzieli się, musi replikować DNA w genomie, aby dwie komórki potomne miały taką samą informację genetyczną jak ich rodzic.

Dwuniciowa struktura DNA zapewnia prosty mechanizm replikacji DNA. Tutaj dwie nici są rozdzielane, a następnie komplementarna sekwencja DNA każdej nici jest odtwarzana przez enzym zwany polimerazą DNA. Enzym ten tworzy komplementarną nić, znajdując prawidłową zasadę poprzez komplementarne parowanie zasad i wiążąc ją z pierwotną nicią. Ponieważ polimerazy DNA mogą wydłużać nić DNA tylko w kierunku od 5 'do 3', do kopiowania antyrównoległych nici podwójnej helisy stosuje się różne mechanizmy.80 W ten sposób baza na starej nici decyduje, która baza pojawi się na nowej nici, a komórka kończy się doskonałą kopią swojego DNA.

Interakcje z białkami

Wszystkie funkcje DNA zależą od interakcji z białkami. Te interakcje z białkami mogą być niespecyficzne lub białko może specyficznie wiązać się z pojedynczą sekwencją DNA. Enzymy mogą również wiązać się z DNA, a polimerazy, które kopiują sekwencję zasad DNA w transkrypcji i replikacji DNA, są szczególnie ważne.

Białka wiążące DNA

Interakcja DNA z histonami (pokazana na biało, u góry). Zasadowe aminokwasy tych białek (poniżej po lewej, niebieski) wiążą się z kwasowymi grupami fosforanowymi na DNA (poniżej po prawej, czerwony).

Białka strukturalne, które wiążą DNA, są dobrze zrozumiałymi przykładami niespecyficznych interakcji DNA-białko. W chromosomach DNA jest utrzymywane w kompleksach z białkami strukturalnymi. Białka te organizują DNA w zwartą strukturę zwaną chromatyną. U eukariontów ta struktura obejmuje wiązanie DNA z kompleksem małych podstawowych białek zwanych histonami, podczas gdy u prokariotów zaangażowanych jest wiele rodzajów białek.8182 Histony tworzą kompleks w kształcie dysku zwany nukleosomem, który zawiera dwa pełne zwoje dwuniciowego DNA owiniętego wokół jego powierzchni. Te niespecyficzne oddziaływania powstają poprzez zasadowe reszty w histonach tworzących wiązania jonowe z kwaśnym szkieletem cukrowo-fosforanowym DNA, a zatem są w dużej mierze niezależne od sekwencji zasad.83 Chemiczne modyfikacje tych podstawowych reszt aminokwasowych obejmują metylację, fosforylację i acetylację.84 Te zmiany chemiczne zmieniają siłę oddziaływania między DNA a histonami, czyniąc DNA mniej lub bardziej dostępnym dla czynników transkrypcyjnych i zmieniając szybkość transkrypcji.85 Inne niespecyficzne białka wiążące DNA znajdujące się w chromatynie obejmują białka grupy o wysokiej ruchliwości, które wiążą się preferencyjnie z wygiętym lub zniekształconym DNA.86 Białka te są ważne w zginaniu matryc nukleosomów i układaniu ich w bardziej złożone struktury chromatyny.87

Odrębną grupą białek wiążących DNA są białka jednoniciowe wiążące DNA, które specyficznie wiążą jednoniciowy DNA. U ludzi białko replikacyjne A jest najlepiej scharakteryzowanym członkiem tej rodziny i jest niezbędne w większości procesów, w których podwójna helisa jest oddzielona, ​​w tym w replikacji DNA, rekombinacji i naprawie DNA.88 Wydaje się, że te białka wiążące stabilizują jednoniciowy DNA i chronią go przed tworzeniem się pętli macierzystych lub degradacją przez nukleazy.

Czynnik transkrypcji represora lambda helisa-kolej-helisa związany z celem DNA89

Natomiast inne białka ewoluowały, aby specyficznie wiązać określone sekwencje DNA. Najbardziej intensywnie badane z nich to różne klasy czynników transkrypcyjnych, które są białkami regulującymi transkrypcję. Każde z tych białek wiąże się z jednym określonym zestawem sekwencji DNA, a tym samym aktywuje lub hamuje transkrypcję genów tymi sekwencjami blisko ich promotorów. Czynniki transkrypcyjne robią to na dwa sposoby. Po pierwsze, mogą one wiązać polimerazę RNA odpowiedzialną za transkrypcję, bezpośrednio lub przez inne białka pośredniczące; to lokalizuje polimerazę na promotorze i umożliwia jej rozpoczęcie transkrypcji.90 Alternatywnie czynniki transkrypcyjne mogą wiązać enzymy, które modyfikują histony w promotorze; zmieni to dostępność matrycy DNA do polimerazy.91

Ponieważ te cele DNA mogą występować w całym genomie organizmu, zmiany aktywności jednego rodzaju czynnika transkrypcyjnego mogą wpływać na tysiące genów.92 W konsekwencji białka te są często celami procesów przekazywania sygnałów, które pośredniczą w odpowiedziach na zmiany środowiskowe lub różnicowanie i rozwój komórek. Specyfika interakcji tych czynników transkrypcyjnych z DNA pochodzi z białek, które stykają się wielokrotnie z krawędziami zasad DNA, umożliwiając im „odczytanie” sekwencji DNA. Większość tych interakcji z bazami odbywa się w głównym rowku, gdzie bazy są najbardziej dostępne.93

Enzym restrykcyjny EcoRV (zielony) w kompleksie z jego substratem DNA94

Enzymy modyfikujące DNA

Nukleazy i ligazy

Nukleazy są enzymami, które przecinają nici DNA poprzez katalizowanie hydrolizy wiązań fosfodiestrowych. Nukleazy, które hydrolizują nukleotydy z końców nici DNA, nazywane są egzonukleazami, zaś endonukleazy przecinają się w niciach. Najczęściej stosowanymi nukleazami w biologii molekularnej są endonukleazy restrykcyjne, które tną DNA w określonych sekwencjach. Na przykład enzym EcoRV pokazany po lewej stronie rozpoznaje sekwencję 6-zasadową 5'-GAT | ATC-3 'i wykonuje cięcie na linii pionowej.

W naturze enzymy te chronią bakterie przed infekcją fagową poprzez trawienie DNA faga, gdy wchodzi on do komórki bakteryjnej, działając jako część systemu modyfikacji restrykcyjnych.95 W technologii te nukleazy specyficzne dla sekwencji są wykorzystywane do klonowania molekularnego i pobierania odcisków palców DNA.

Enzymy zwane ligazami DNA mogą ponownie łączyć cięte lub połamane nici DNA, wykorzystując energię z trifosforanu adenozyny lub dinukleotydu nikotynamidoadeninowego.96 Ligazy są szczególnie ważne w replikacji DNA z opóźnioną nicią, ponieważ łączą krótkie segmenty DNA wytwarzane w widełkach replikacyjnych w kompletną kopię matrycy DNA. Są również wykorzystywane do naprawy DNA i rekombinacji genetycznej.96

Topoizomerazy i helikazy

Topoizomerazy są enzymami o aktywności zarówno nukleazy, jak i ligazy. Te białka zmieniają ilość superskręcenia w DNA. Niektóre z tych enzymów działają poprzez cięcie helisy DNA i umożliwienie obrotu jednej sekcji, zmniejszając w ten sposób jej poziom superskręcenia; enzym następnie uszczelnia pęknięcie DNA.38 Inne typy tych enzymów są zdolne do przecięcia jednej helisy DNA, a następnie przepuszczenia drugiej nici DNA przez tę przerwę, zanim ponownie dołączą do helisy.97 Topoizomerazy są wymagane w wielu procesach obejmujących DNA, takich jak replikacja i transkrypcja DNA.39

Helikazy to białka, które są rodzajem silnika molekularnego. Wykorzystują energię chemiczną w trifosforanach nukleozydów, głównie ATP, do zerwania wiązań wodorowych między zasadami i rozwinięcia podwójnej helisy DNA w pojedyncze pasma.98 Enzymy te są niezbędne w większości procesów, w których enzymy potrzebują dostępu do zasad DNA.

Polimerazy

Polimerazy to enzymy, które syntetyzują łańcuchy polinukleotydowe z trifosforanów nukleozydów. Działają przez dodanie nukleotydów do grupy hydroksylowej 3 'poprzedniego nukleotydu w nici DNA. W rezultacie wszystkie polimerazy działają w kierunku od 5 'do 3'.99 W aktywnym miejscu tych enzymów nukleozydowe pary substratu trifosforanu z matrycą jednoniciowego polinukleotydu: pozwala to polimerazom dokładnie zsyntetyzować komplementarną nić tej matrycy. Polimerazy są klasyfikowane zgodnie z rodzajem używanego szablonu.

W replikacji DNA zależna od DNA polimeraza DNA tworzy kopię DNA sekwencji DNA. Dokładność jest niezbędna w tym procesie, dlatego wiele z tych polimeraz ma aktywność korekty. Tutaj polimeraza rozpoznaje sporadyczne błędy w reakcji syntezy przez brak parowania zasad między niedopasowanymi nukleotydami. Jeśli wykryte zostanie niedopasowanie, aktywność egzonukleazy 3 'do 5' jest aktywowana i usuwana jest niepoprawna zasada.100 W większości organizmów polimerazy DNA funkcjonują w dużym kompleksie zwanym replisomem, który zawiera wiele pomocniczych podjednostek, takich jak klamra DNA lub helikazy.101

Polimerazy DNA zależne od RNA to wyspecjalizowana klasa polimerazy, która kopiuje sekwencję nici RNA do DNA. Obejmują one odwrotną transkryptazę, która jest enzymem wirusowym zaangażowanym w infekcję komórek przez retrowirusy oraz telomerazę, która jest wymagana do replikacji telomerów.10251 Telomeraza jest niezwykłą polimerazą, ponieważ zawiera własny szablon RNA jako część swojej struktury.52

Transkrypcja odbywa się za pomocą zależnej od DNA polimerazy RNA, która kopiuje sekwencję nici DNA do RNA. Aby rozpocząć transkrypcję genu, polimeraza RNA wiąże się z sekwencją DNA zwaną promotorem i oddziela nici DNA. Następnie kopiuje sekwencję genową do transkryptu przekaźnikowego RNA, aż osiągnie region DNA zwany terminatorem, w którym zatrzymuje się i odłącza od DNA. Podobnie jak w przypadku ludzkich DNA zależnych polimeraz DNA, polimeraza RNA II, enzym transkrybujący większość genów w ludzkim genomie, działa jako część dużego kompleksu białkowego z wieloma podjednostkami regulatorowymi i dodatkowymi.103

Rekombinacja genetyczna

Struktura połączenia pośredniego Holliday w rekombinacji genetycznej. Cztery oddzielne nici DNA mają kolor czerwony, niebieski, zielony i żółty.104
Dalsze informacje: Rekombinacja genetyczna
Rekombinacja obejmuje rozbicie i ponowne połączenie dwóch chromosomów (M i F) w celu wytworzenia dwóch ponownie uporządkowanych chromosomów (C1 i C2).

Helisa DNA zwykle nie wchodzi w interakcje z innymi segmentami DNA, a w ludzkich komórkach różne chromosomy zajmują nawet oddzielne obszary w jądrze zwane „terytoriami chromosomów”.105 To fizyczne rozdzielenie różnych chromosomów jest ważne dla zdolności DNA do funkcjonowania jako stabilne repozytorium informacji, ponieważ jeden z niewielu interakcji chromosomów zachodzi podczas krzyżowania chromosomów, gdy rekombinują. Crossover chromosomalny ma miejsce, gdy dwie helisy DNA pękają, zamieniają sekcje, a następnie dołączają ponownie.

Rekombinacja pozwala chromosomom wymieniać informacje genetyczne i wytwarza nowe kombinacje genów, które mogą być ważne dla zmienności dodanej do populacji, a tym samym ewolucji, i mogą być ważne w szybkiej ewolucji nowych białek.106 Rekombinacja genetyczna może również brać udział w naprawie DNA, szczególnie w odpowiedzi komórki na pękanie dwuniciowe.107

Najczęstszą formą krzyżowania chromosomów jest rekombinacja homologiczna, w której dwa zaangażowane chromosomy mają bardzo podobne sekwencje. Rekombinacja niehomologiczna może być szkodliwa dla komórek, ponieważ może powodować translokacje chromosomów i nieprawidłowości genetyczne. Reakcja rekombinacji jest katalizowana przez enzymy znane jako rekombinazy, takie jak RAD51.108 Pierwszym etapem rekombinacji jest pęknięcie dwuniciowe albo spowodowane przez endonukleazę, albo uszkodzenie DNA.109 Szereg etapów katalizowanych częściowo przez rekombinazę prowadzi następnie do połączenia dwóch helis przez co najmniej jedno połączenie Hollidaya, w którym segment pojedynczej nici w każdej helisie jest przyłączany do nici komplementarnej w drugiej helisie. Złącze Holliday jest czworościenną strukturą połączenia, którą można przesuwać wzdłuż pary chromosomów, zamieniając jedną nić na drugą. Reakcja rekombinacji jest następnie zatrzymywana przez odcięcie połączenia i ponowne ligację uwolnionego DNA.110

Ewolucja metabolizmu DNA

DNA zawiera informację genetyczną, która pozwala funkcjonować wszystkim współczesnym żywym istotom

Pin
Send
Share
Send