Kwas dezoksyrybonukleinowy lub DNA , jest makrocząsteczką obecny biologiczna w prawie wszystkich komórkach w wielu wirusów . DNA zawiera całą informację genetyczną, zwaną genomem , umożliwiającą rozwój, funkcjonowanie i reprodukcję żywych istot . Jest to kwas nukleinowy , podobny do kwasu rybonukleinowego (RNA). Kwasy nukleinowe są, obok peptydów i węglowodanów , jedną z trzech głównych rodzin biopolimerów niezbędnych dla wszystkich znanych form życia.
Cząsteczki DNA w żywych komórkach składają się z dwóch przeciwrównoległych pasm owiniętych wokół siebie, tworząc podwójną helisę . Mówi się, że DNA jest dwuniciowe lub dwuniciowe. Każda z tych nici to polimer zwany polinukleotydem . Każdy monomer, który go tworzy, jest nukleotydem , który jest utworzony z zasady nukleinowej lub zasady azotowej - adeniny (A), cytozyny (C), guaniny (G) lub tyminy (T) - połączonej z osą - tutaj dezoksyryboza - sama jest związana z grupą fosforanową . Polimeryzowane nukleotydy są połączone ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi między dezoksyrybozą jednego nukleotydu a grupą fosforanową następnego nukleotydu, tworząc w ten sposób łańcuch, w którym osy i fosforany występują naprzemiennie, z zasadami nukleinowymi połączonymi z każdą z ose. Kolejność, w jakiej nukleotydy następują po sobie na nici DNA, stanowi sekwencję tej nici. To ta sekwencja przenosi informację genetyczną. Jest to zorganizowane w geny , które są wyrażane poprzez transkrypcję do RNA . Te RNA mogą być niekodujące - w szczególności przenoszą RNA i rybosomalny RNA - lub też mogą kodować: w tym przypadku są to informacyjne RNA , które są przekształcane na białka przez rybosomy . Sukcesja zasad nukleinowych na DNA determinuje sukcesję aminokwasów, które tworzą białka powstałe z tych genów. Korespondencja między zasadami nukleinowymi a aminokwasami to kod genetyczny . Wszystkie geny organizmu stanowią jego genom .
Zasady kwasu nukleinowego jednej nici DNA mogą oddziaływać z zasadami nukleinowymi innej nici DNA poprzez wiązania wodorowe , które determinują zasady parowania par zasad : adeniny i tyminy za pomocą dwóch wiązań wodorowych, a guaniny i para cytozyn za pomocą trzech wiązań wodorowych. Zwykle adenina i cytozyna nie łączą się w pary, podobnie jak guanina i tymina. Kiedy sekwencje dwóch nici są komplementarne, mogą one łączyć się w pary, tworząc charakterystyczną dwuniciową helikalną strukturę zwaną podwójną helisą DNA. Ta podwójna helisa dobrze nadaje się do przechowywania informacji genetycznej: łańcuch fosforanowo-kostny jest odporny na reakcje rozszczepienia ; ponadto informacja jest powielana na dwóch niciach podwójnej helisy, co umożliwia naprawę uszkodzonej nici z drugiej nici, która pozostała nienaruszona; wreszcie ta informacja może być skopiowana poprzez mechanizm zwany replikacją DNA, w którym podwójna helisa DNA jest wiernie kopiowana do innej podwójnej helisy niosącej te same informacje. Dzieje się tak zwłaszcza podczas podziału komórki : każda cząsteczka DNA komórki macierzystej jest replikowana na dwie cząsteczki DNA, przy czym każda z dwóch komórek potomnych otrzymuje w ten sposób kompletny zestaw cząsteczek DNA. Każda gra jest identyczna.
W komórkach DNA jest zorganizowane w struktury zwane chromosomami . Chromosomy te działają na rzecz bardziej zwartego DNA za pomocą białek , zwłaszcza histonów , które razem z kwasami nukleinowymi tworzą substancję zwaną chromatyną . Chromosomy uczestniczą również w regulacji ekspresji genów , określając, które części DNA powinny zostać transkrybowane do RNA . U eukariotów ( zwierząt , roślin , grzybów i protistów ) DNA jest zasadniczo zawarty w jądrze komórkowym, a frakcja DNA jest również obecna w mitochondriach, a także w roślinach w chloroplastach . U prokariota ( bakterie i archeony ) DNA jest zawarte w cytoplazmie . W wirusach zawierających DNA jest on przechowywany w kapsydie . Jakikolwiek organizm jest brany pod uwagę, DNA jest przenoszone podczas rozmnażania : odgrywa rolę wsparcia dla dziedziczności . Modyfikacja sekwencji zasad genu może prowadzić do mutacji genetycznej , która w zależności od przypadku może być korzystna, bez konsekwencji lub szkodliwa dla organizmu, a nawet nie dająca się pogodzić z jego przetrwaniem. Przykładowo, zmiany pojedynczej zasady jednego genu - w przypadku beta-globiny , a podjednostki białka z hemoglobiny - w tym człowieka genotyp jest odpowiedzialny za anemią sierpowatą , A choroba genetyczna między najbardziej rozpowszechnione w świecie.
DNA to długi polimer utworzony przez powtarzające się monomery zwane nukleotydami . Pierwsze DNA zidentyfikowano i wyizolowano w roku 1869 z jądra z białych krwinek przez szwajcarską Friedrich Miescher . Struktura podwójnej helisy została zademonstrowana w 1953 roku przez Brytyjczyka Francisa Cricka i Amerykanina Jamesa Watsona na podstawie danych eksperymentalnych uzyskanych przez Brytyjkę Rosalind Franklin i Maurice Wilkins . Struktura ta, wspólny dla wszystkich gatunków , składa się z dwóch linii śrubowej polinukleotydowe łańcuchy owinięte wokół siebie wokół wspólnej osi, przy czym skoku około 3,4 nm do średnicy około 2, 0 nm . W innym badaniu mierzącym parametry geometryczne DNA w roztworze uzyskano średnicę od 2,2 do 2,6 nm przy długości na nukleotyd wynoszącej 0,33 nm . Chociaż każdy nukleotyd jest bardzo mały, cząsteczki DNA mogą zawierać ich miliony i rosnąć do znacznych rozmiarów. Na przykład ludzki chromosom 1 , który jest największym z ludzkich chromosomów , zawiera około 220 milionów par zasad o długości liniowej ponad 7 cm .
W żywych komórkach DNA na ogół nie występuje w postaci jednoniciowej ( jednoniciowej ), ale raczej w postaci dwuniciowej (dwuniciowej) z konfiguracją podwójnej helisy. Te monomery stanowiące co nici DNA obejmują segment dezoksyrybozy - fosforan łańcucha i nukleinowego, bazę połączoną z dezoksyrybozy. Cząsteczka wynikające z wiązania nukleinowego podstawy An ose zwanym nukleozydu ; dodanie jednej do trzech grup fosforanowych do dawki nukleozydu tworzy nukleotyd . Polimer otrzymany z polimeryzacji nukleotydów nazywa się polinukleotyd . DNA i RNA to polinukleotydy.
Ose stanowiące szkielet cząsteczki jest 2'-deoksyryboza , pochodna rybozy . Ten pentoza na przemian z grupami fosforanowymi, z wytworzeniem wiązań fosfodiestrowych między atomami n ö 3 „i n O 5” reszty sąsiadującej dezoksyrybozy. Z powodu tego asymetrycznego wiązania nici DNA mają sens. W podwójnej helisie dwie nici DNA są w przeciwnych kierunkach: mówi się, że są antyrównoległe . Kierunku 5 „do 3” na nici DNA, zwykle oznacza, że koniec niosący fosforanową grupę -PO 3 2-pod koniec niosący grupę hydroksylową –OH; w tym sensie DNA jest syntetyzowane przez polimerazy DNA . Jedna z głównych różnic pomiędzy DNA i RNA jest to, że śmie szkieletu cząsteczki jest rybozy w przypadku RNA, a nie z DNA dezoksyrybozy, która odgrywa na stabilność i geometrii tej makrocząsteczki .
DNA podwójnej helisy stabilizuje się zasadniczo dwie siły: te wiązania wodorowe pomiędzy nukleotydami , z jednej strony, oraz układania interakcje z aromatycznymi pierścieniami tych nukleinowych podstaw drugiej strony. W wodnym środowisku w komórce , na sprzężonych wiązań gatunku tych zasad wyrównać prostopadle do osi cząsteczki DNA, w celu zmniejszenia ich oddziaływanie z warstwą solwatacji , a w związku z tym, ich wolnej entalpii . Cztery nukleotydy składowe DNA to adenina (A), cytozyna (C), guanina (G) i tymina (T), tworzące odpowiednio następujące cztery nukleotydy , składające się na DNA:
Cztery zasady nukleinowe DNA są dwojakiego rodzaju: z jednej strony puryny - adenina i guanina - które są związkami bicyklicznymi składającymi się z dwóch heterocykli odpowiednio z pięcioma i sześcioma atomami, z drugiej strony pirymidyny - cytozyna i tymina - które są monocykliczne. związki zawierające heterocykl z sześcioma atomami. W par zasad podwójnej helisy DNA, są wykonane z puryny interakcja z pirymidyną, przez dwa lub trzy wiązania wodorowe :
Z powodu tej komplementarności cała informacja genetyczna przenoszona przez jedną z nici podwójnej helisy DNA jest również przenoszona identycznie na drugiej nici. Na tej zasadzie opiera się mechanizm replikacji DNA i na tej komplementarności między zasadami nukleinowymi opierają się wszystkie funkcje biologiczne DNA w żywych komórkach.
DNA niektórych wirusów , takich jak bakteriofagi PBS1 i PBS2 z Bacillus subtilis , bakteriofag φR1-37 z Yersinia i fag S6 z Staphylococcus , może zastąpić tyminę uracylem , pirymidyną zwykle charakterystyczną dla RNA, ale zwykle nieobecną w DNA, gdzie występuje tylko jako produkt degradacji cytozyny.
W nukleinowe kolego częściej tworzące par zasad nazywanych „Watsona-Cricka” odnoszący się do dwóch lub trzech wiązań wodorowych utworzonych pomiędzy dwiema podstawami ukierunkowane przeciw do pozostałości z dezoksyrybozy . Jednakże, wiązania wodorowe mogą być ustanowione między syn zorientowane puryny i anty zorientowane pirymidyny : w tym przypadku, jest to parowanie Hoogsteena . Ponadto pary zasad Watsona-Cricka, jak jest zdolny do utworzenia wiązania wodorowe typu Hoogsteena z trzecim podstawie, co pozwala na tworzenie się trzy- linka struktury DNA.
Tylko jedna z nici segmentu DNA stanowiącego gen jest przepisywana na funkcjonalne RNA , tak że dwie nici genu nie są równoważne: mówi się, że ta, która jest transkrybowana na funkcjonalne RNA, ma ujemną polarność i zawiera sekwencję antysensowną, podczas gdy nić komplementarna - która również może być transkrybowana do RNA, ale nie jest funkcjonalna - ma dodatnią biegunowość i zawiera sensowną sekwencję DNA. Nić transkrybowana do funkcjonalnego RNA jest czasami nazywana nicią kodującą, ale to oznaczenie jest ważne tylko w ramach danego genu, ponieważ dwie nici tej samej podwójnej helisy DNA mogą kodować różne białka; wtedy mówimy o pasmach ambisense. RNA są również transkrybowane z sensownych sekwencji DNA - stąd antysensowne sekwencje RNA - zarówno u prokariontów, jak i eukariontów , ale ich biologiczna rola nie jest w pełni wyjaśniona; jedna z hipotez jest taka, że te antysensowne RNA mogą wpływać na regulację ekspresji genów poprzez parowanie sensownych i antysensownych sekwencji RNA, które z definicji są komplementarne.
Rozróżnienie między sensownymi i antysensownymi niciami DNA jest niewyraźne w pewnych typach nakładających się genów , dość rzadkich u prokariotów i eukariontów, ale częściej na plazmidach i wirusach , w których obie nici tego samego segmentu DNA kodują różne funkcjonalne RNA. U bakterii to nakładanie się może odgrywać rolę w regulacji transkrypcji genów, podczas gdy w wirusach nakładające się geny zwiększają ilość informacji genetycznej, którą można zakodować w niewielkim rozmiarze genomu wirusa.
Uwolniony DNA może być liniowy, jak to zwykle ma miejsce u eukariontów , lub kolisty, jak u prokariontów . Może jednak ulec skręceniu w niekiedy skomplikowany sposób pod wpływem wprowadzenia dodatkowych obrotów śmigła lub usunięcia zwojów w podwójnej helisie . Podwójna helisa DNA zwinięta w ten sposób pod wpływem dodatnich lub ujemnych superturów ma skok odpowiednio skrócony lub wydłużony w stosunku do stanu rozluźnienia: w pierwszym przypadku zasady nukleinowe są ułożone w bardziej zwarty sposób; w drugim przypadku, wręcz przeciwnie, oddziałują mniej ściśle. In vivo DNA zazwyczaj wykazuje nieznacznie ujemny supercoiling pod wpływem enzymów zwanych topoizomerazy DNA , które również są niezbędne do uwolnienia naprężeń wprowadzonych do DNA w procesach, które obejmują podwójne helisy jest odwijana, aby oddzielić od niego. Dwa pasma , co jest szczególnie przypadek podczas replikacji DNA i podczas jego transkrypcji do RNA .
Ponieważ wiązania wodorowe nie są wiązaniami kowalencyjnymi , można je dość łatwo zerwać. W ten sposób możliwe jest rozdzielenie dwóch nici podwójnej helisy DNA jak zamek błyskawiczny zarówno mechanicznie, jak i pod wpływem wysokiej temperatury, a także przy niskim zasoleniu , przy wysokim pH - roztwór zasadowy - i przy niskim pH - roztwór kwaśny , który jednakże zmienia DNA, w szczególności przez depurynację. To rozdzielenie nici dwuniciowego DNA w celu utworzenia dwóch jednoniciowych cząsteczek DNA nazywa się fuzją lub denaturacją DNA . Temperaturę, w której 50% dwuniciowego DNA dysocjuje na dwa jednoniciowe cząsteczki DNA nazywa się temperaturą topnienia lub temperatury pół denaturacji DNA oznaczoną T m . Można go zmierzyć śledząc absorpcję optyczną przy 260 nm roztworu zawierającego DNA: ta absorpcja wzrasta podczas niedopasowania, co nazywa się hiperchromicznością . Uwolnione jednoniciowe cząsteczki DNA nie mają określonej konfiguracji, ale niektóre trójwymiarowe struktury są bardziej stabilne niż inne.
Stabilność podwójnej helisy DNA zależy zasadniczo od liczby wiązań wodorowych, które mają zostać przerwane, aby rozdzielić dwie nici. Dlatego im dłuższa podwójna helisa, tym jest stabilniejsza. Jednakże, ponieważ G C parami są połączone przez trzy wiązań wodorowych, a nie z dwóch dla T par stabilność podwójnych - linka cząsteczek DNA z taką samą długość wzrasta z liczbą G C pary , które zawierają, mierzona ich stopy. przez GC . Efekt ten jest wzmocniony faktem, że wzajemne oddziaływania między zasadami nukleinowymi tej samej nici DNA są silniejsze między resztami guaniny i cytozyny, tak że sekwencja DNA wpływa również na jej stabilność. Dlatego temperatura topnienia DNA zależy od długości cząsteczek, ich poziomu GC, ich sekwencji, stężenia w rozpuszczalniku i siły jonowej w nim. W biologii molekularnej , to obserwuje się, że segmenty dwuniciowego DNA, których funkcja oznacza, że dwie nici z podwójną śrubą może łatwo oddzielić mają wysoką szybkość T par : jest to w przypadku sekwencji TATAAT typowe Pribnow pudełko niektórych promotorów .
Dwie nici DNA tworzą podwójną helisę, której szkielet tworzy dwa rowki. Te rowki sąsiadują z parami zasad i prawdopodobnie zapewniają miejsce wiązania dla różnych cząsteczek. Ponieważ nici DNA nie są rozmieszczone symetrycznie względem osi podwójnej helisy, definiują dwie bruzdy o nierównej wielkości: większy rowek ma szerokość 2,2 nm, a mniejszy - 1,2 nm . Krawędzie zasad nukleinowych są bardziej dostępne w większym rowku niż w mniejszym rowku. Zatem białka , takie jak czynniki transkrypcyjne , które wiążą się z określonymi sekwencjami w dwuniciowym DNA, zwykle robią to na głównym poziomie rowków.
Istnieje wiele możliwych konformerów podwójnej helisy DNA. Klasyczne formy nazywane są DNA A , DNA B i DNA Z , z których tylko dwie ostatnie obserwowano bezpośrednio in vivo . Konformacja przyjęta przez dwuniciowy DNA zależy od stopnia jego uwodnienia , jego sekwencji , szybkości superskręcenia , chemicznych modyfikacji zasad, które go tworzą, charakteru i stężenia jonów metali w roztworze , a nawet obecności poliaminy .
Oprawa | DNA A. | DNA B. | Z DNA |
---|---|---|---|
Kierunek śmigła | dobrze | dobrze | lewo |
Powtarzający się wzór | 1 pz | 1 pz | 2 pz |
Obrót o parę podstaw | 32,7 ° | 34,3 ° | 60 ° / 2 |
Para podstaw na obrót śmigła | 11 | 10.5 | 12 |
Skok śmigła na obrót | 2,82 nm | 3,32 nm | 4,56 nm |
Wydłużenie osi o parę podstaw | 0,24 nm | 0,32 nm | 0,38 nm |
Średnica | 2,3 nm | 2,0 nm | 1,8 nm |
Nachylenie podstawowych par względem osi śmigła | + 19 ° | -1,2 ° | -9 ° |
Średni skręt ( skręt śmigła ) | + 18 ° | + 16 ° | 0 ° |
Orientację podstawników tych zasad w osidic pozostałości |
anty | anty |
Pirymidyna : przeciw, Puryna : syn |
Składanie / endocykliczne skręcanie furanozy ( marszczenie cukru ) |
C3'- endo | C2'- endo |
Cytozyna : C2'- endo , guanina : C2'- egzo |
Ekspresja genów DNA zależy od DNA jest pakowane w chromosomach w strukturze zwanej chromatyny . Pewne zasady mogą zostać zmienione w czasie formowania chromatyny, że cytozyny pozostałości z tych obszarów, które są mało lub nie genetycznej ma zwykle wysoce metylowane , a to głównie w CpG stron . W histony , wokół których jest owinięte DNA chromatins może być również kowalencyjnie zmodyfikowane . Sama chromatyna może zostać zmieniona przez kompleksy przebudowujące chromatynę. Ponadto metylacja DNA i kowalencyjna modyfikacja histonów są skoordynowane, aby wpływać na chromatynę i ekspresję genów .
Tak więc, metylacja reszt cytozyny produkuje 5-metylocytozyna , która odgrywa ważną rolę w inaktywacji chromosomu X w . Tempo metylacji jest różne w różnych organizmach, nicień Caenorhabditis elegans jest jej całkowicie pozbawiony, podczas gdy kręgowce mają około 1% DNA zawierającego 5-metylocytozynę .
Pirymidyny mają bardzo podobną strukturę molekularną. Zatem cytozyna i 5-metylocytozyna mogą być deaminowane z wytworzeniem odpowiednio uracylu (który nie jest zasadą będącą częścią kodu DNA) i tyminy . Dlatego reakcja deaminacji może sprzyjać mutacjom genetycznym .
Istnieją również inne zmodyfikowane zasady w DNA, wynikające np. Z metylacji reszt adeniny u bakterii, ale także u nicieni ( Caenorhabditis elegans ), zielonych alg ( Chlamydomonas ) i muszek owocówek . 5-hydroksymetylocytozyna jest pochodną cytozyny szczególnie obficie w mózgu od ssaków . Organizmy takie jak wiciowce Diplonema i Euglena oraz rodzaj Kinetoplastida zawierają ponadto glikozylowaną pirymidynę pochodzącą z uracylu i nazywaną zasadą J ; ta zmodyfikowana zasada działa jako sygnał terminacji transkrypcji dla polimerazy RNA II . Wiele białek , które specyficznie wiążą się z podstawy J zostały zidentyfikowane.
DNA może zostać uszkodzone przez dużą liczbę mutagenów, które zmieniają jego sekwencję . Mutageny te zawierają środki utleniające , w alkilującego , tym promieniowanie elektromagnetyczne o energii, na przykład w ultrafiolecie i rentgenowskim i gamma , jak i cząstek elementarnych na promieniowanie jonizujące , takie jak wynikające z radioaktywności nawet promieni kosmicznych . Rodzaj powstałych uszkodzeń zależy od rodzaju mutagenu. Zatem promienie ultrafioletowe są zdolne do uszkadzania DNA przez wytwarzanie dimerów pirymidynowych poprzez tworzenie wiązań między sąsiednimi zasadami tej samej nici DNA. Utleniacze, takie jak wolne rodniki lub nadtlenek wodoru, powodują kilka rodzajów uszkodzeń, takich jak zmiany zasad, w tym guanozyna , i pęknięcia w strukturze dwuniciowej . Typowa ludzka komórka zawiera około 150 000 zasad uszkodzonych przez utleniacz. Spośród tych uszkodzeń spowodowanych utleniaczami najgroźniejsze są pęknięcia dwuniciowe, ponieważ są najtrudniejsze do naprawy i mogą powodować mutacje punktowe , insercje i delecje w obrębie sekwencji DNA, a także translokacje chromosomów . Te mutacje mogą powodować raka . Naturalne zmiany DNA, które wynikają np. Z procesów komórkowych wytwarzających reaktywne pochodne tlenu , są dość częste. Chociaż naprawy DNA mechanizmów rozwiązać większość z tych zmian, niektóre z nich nie są naprawiane i gromadzą się w czasie w postmitotic tkanek od ssaków . Nagromadzenie takich nienaprawionych zmian chorobowych wydaje się być ważną przyczyną starzenia się .
Wiele mutagenów mieści się w przestrzeni między dwiema sąsiednimi parami zasad w sposób zwany interkalacją . Większość interkalacji jest wykonywana przez związki aromatyczne i płaskie cząsteczki , takie jak bromek etydyny , akrydyny , daunorubicyna lub doksorubicyna . Podstawy muszą się rozsunąć, aby umożliwić wprowadzenie związku interkalacyjnego, który powoduje zniekształcenie podwójnej helisy przez częściowe rozwinięcie. To blokuje zarówno transkrypcję, jak i replikację DNA , powodując cytotoksyczność i mutacje . W związku z tym związki interkalujące mogą być rakotwórcze i, w przypadku talidomidu , teratogenne . Inne związki, takie jak epoksybenzo [ a ] piren diol i aflatoksyna, tworzą addukty z DNA, które powodują błędy w replikacji. Jednak ze względu na ich zdolność do blokowania transkrypcji i replikacji DNA, inne podobne toksyny są również stosowane w chemioterapii przeciwko szybko proliferującym komórkom .
DNA znajduje się głównie w chromosomach , które są generalnie liniowe u eukariontów i koliste u prokariotów . W tym drugim przypadku można go również znaleźć poza chromosomami, w obrębie plazmidów . Całe DNA komórki tworzy jej genom . Genom ludzki reprezentuje około trzech miliardów par zasad rozmieszczonych w 46 chromosomach. Informacje zawarte w genomie są przenoszone przez segmenty DNA tworzące geny . Informacja genetyczna jest przekazywana przez specyficzne zasady dopasowania zwane parowaniem Watsona-Cricka: jedyne dwie pary normalnie dozwolonych zasad to adenina z tyminą i guanina z cytozyną . Te zasady parowania leżą u podstaw różnych procesów zachodzących w biologicznych funkcjach DNA:
Kiedy komórka jest podzielona , musi replikować DNA niosące jej genom, tak aby obie komórki potomne odziedziczyły tę samą informację genetyczną, co komórka rodzicielska. Podwójna helisa DNA zapewnia prosty mechanizm replikacji: dwie nici są rozwijane w celu rozdzielenia, a każda z dwóch nici służy jako szablon do odtworzenia nici z komplementarną sekwencją poprzez parowanie między zasadami nukleinowymi , co umożliwia odtworzenie dwóch identycznych dwuniciowe helisy DNA . Proces ten jest katalizowany przez zestaw enzymów, wśród których są polimerazy DNA, które uzupełniają rozwinięte nici DNA, aby zrekonstruować dwie komplementarne nici. Ponieważ te polimerazy DNA mogą polimeryzować DNA tylko w kierunku od 5 'do 3' , różne mechanizmy interweniują w celu skopiowania antyrównoległych nici podwójnej helisy:
DNA w genomie jest zorganizowane i zagęszczone w procesie zwanym kondensacją DNA, dzięki czemu może zmieścić się w ciasnej przestrzeni komórki . U eukariotów DNA jest zlokalizowane głównie w jądrze komórkowym , niewielka część także w mitochondriach oraz w roślinach w chloroplastach . U prokariotów DNA znajduje się w nieregularnej strukturze cytoplazmy zwanej nukleoidem . Informacja genetyczna genomu jest zorganizowana w genach , a cały zestaw tych informacji nazywany jest genotypem . Gen to ułamek DNA, który wpływa na określone cechy organizmu i dlatego jest częścią dziedziczności . Zawiera otwartą ramkę odczytu, którą można transkrybować do RNA , a także sekwencje regulujące ekspresję genów, takie jak promotory i wzmacniacze, które kontrolują transkrypcję.
U większości gatunków tylko niewielka część genomu koduje białka . Zatem około 1,5% ludzkiego genomu składa się z eksonów kodujących białka, podczas gdy ponad 50% ludzkiego DNA składa się z powtarzających się niekodujących sekwencji ; reszta DNA koduje różne typy RNA, takie jak transferowe RNA i rybosomalne RNA . Obecność takiej ilości niekodującego DNA do genomu w komórkach eukariotycznych, jak również duża zmienność w wielkości genomu różnych organizmów - wielkości, które nie ma związku z złożoności odpowiednich organizmów - jest to kwestia znane od początki biologii molekularnej i często nazywany paradoksem wartości C , ta „ wartość C ” oznacza w organizmach diploidalnych wielkość genomu, a wielokrotność tej wielkości w poliploidach . Jednakże, niektóre sekwencje DNA, które kodują białka może kodować cząsteczki z RNA udział w regulacji funkcjonalnej ekspresji genów .
Niektóre niekodujące sekwencje DNA odgrywają strukturalną rolę w chromosomach . W telomery i centromery zazwyczaj zawierają kilka genów, lecz w znacznym stopniu przyczyniają się do funkcji biologicznych i stabilności mechanicznej chromosomów. Znaczna część niekodującego DNA składa się z pseudogenów , które są kopiami genów unieczynnionych w wyniku mutacji . Sekwencje te są zwykle jedynie skamieniałościami molekularnymi, ale czasami mogą służyć jako surowiec genetyczny do tworzenia nowych genów w procesie duplikacji genetycznej i dywergencji ewolucyjnej.
Ekspresja genu jest przekształcenie genotyp organizmu fenotypu , to znaczy, zestaw cech tej organizacji. Na proces ten wpływają różne bodźce zewnętrzne i składa się z trzech głównych etapów:
Należy zauważyć, że to samo DNA może na dwóch etapach rozwoju organizmu ulegać ekspresji (z powodu różnych represorów i derepresantów) na bardzo różne sposoby, przy czym najbardziej znanym przykładem jest gąsienica i motyl, bardzo odległe morfologicznie.
Gen informacja kodowana przez sekwencję o nukleotydów z genu DNA może być kopiowany do kwasów nukleinowych różni się od znanego DNA i RNA . Ten RNA jest strukturalnie bardzo podobny do pojedynczego - linka cząsteczki DNA, ale różni się od niego w naturze ose jego nukleotydów - RNA zawiera ryboza , gdy DNA zawiera deoksyrybozy - jak również przez jeden z jego . Nukleotydów zasad nukleinowych - w tyminy w DNA jest zastąpione uracylem .
Transkrypcja DNA na RNA jest złożonym procesem, którego wyjaśnienie to znaczny postęp w biologii molekularnej w drugiej połowie XX XX wieku. Jest ściśle regulowany, w szczególności przez białka zwane czynnikami transkrypcyjnymi, które w odpowiedzi na przykład na hormony umożliwiają transkrypcję docelowych genów: tak jest na przykład w przypadku hormonów płciowych, takich jak estrogen , progesteron i testosteron .
RNA otrzymany z transkrypcji DNA mogą być niekodujące lub kodujące. W pierwszym przypadku ma własną fizjologiczną funkcję w komórce ; w drugim przypadku jest to informacyjny RNA , który służy do transportu informacji genetycznej zawartej w DNA do rybosomów , które organizują dekodowanie tej informacji za pomocą transferowego RNA . Te transferowe RNA są połączone z jednym aminokwasem spośród 22 białkoogennych aminokwasów i każdy ma grupę trzech kolejnych zasad nukleinowych zwanych antykodonem . Trzy zasady tych antykodonów mogą łączyć się z trzema kolejnymi zasadami informacyjnego RNA, przy czym ta trójka zasad tworzy kodon komplementarny do antykodonu transferowego RNA. Komplementarność kodonu informacyjnego RNA i antykodonu transferowego RNA opiera się na zasadach parowania typu Watsona-Cricka, które rządzą drugorzędową strukturą dwuniciowego DNA .
Korespondencja między 64 możliwymi kodonami a 22 białkowymi aminokwasami nazywana jest kodem genetycznym . Ten kod jest materializowany przez różne transferowe RNA, które fizycznie łączą dany aminokwas z różnymi antykodonami na podstawie różnych transferowych RNA, które mogą wiązać się z tym samym aminokwasem. W ten sposób dana sekwencja zasad nukleinowych w genie DNA może zostać przekształcona w precyzyjną sekwencję aminokwasów tworzących białko w cytoplazmie komórki.
Jest więcej kodonów niż aminokwasów do zakodowania. Dlatego mówi się, że kod genetyczny jest zdegenerowany. Oprócz aminokwasów proteinogennych koduje również koniec translacji przy użyciu trzech konkretnych kodonów zwanych kodonami STOP : TAA, TGA i TAG w DNA.
Wszystkie biologiczne funkcje DNA zależą od interakcji z białkami . Mogą to być interakcje niespecyficzne lub interakcje z białkami, które specyficznie wiążą się z określoną sekwencją DNA. Spośród enzymów mogą również wiązać się z DNA, a spośród nich, polimerazy , które zapewniają replikację DNA i jego transkrypcji do RNA, odgrywa szczególnie ważną rolę.
Białka strukturalne, które wiążą się z DNA, stanowią dobrze poznane przykłady niespecyficznych interakcji między białkami a DNA. Jest to utrzymywane w chromosomach poprzez tworzenie kompleksów z białkami strukturalnymi, które kondensują DNA w zwartą strukturę zwaną chromatyną . U eukariontów ta struktura obejmuje małe podstawowe białka zwane histonami , podczas gdy u prokariotów obejmuje wiele różnych białek . Histony tworzą kompleks w kształcie dysku z DNA zwanym nukleosomem, zawierającym dwa pełne zwoje dwuniciowej cząsteczki DNA owiniętej wokół białka. Te niespecyficzne interakcje zachodzą między podstawowymi resztami histonów a kwaśnym szkieletem zbudowanym z naprzemiennego ose - fosforanu niosącego zasady nukleinowe podwójnej helisy DNA. W ten sposób powstają wiązania jonowe, które są niezależne od sekwencji zasad DNA. Te podstawowe reszty aminokwasowe ulegają przemianom chemicznym, takim jak metylacja , fosforylacja i acetylacja . Te chemiczne modyfikacje modyfikują intensywność interakcji między DNA a histonami, czyniąc DNA mniej lub bardziej dostępnym dla czynników transkrypcyjnych, a tym samym modulując aktywność transkrypcyjną . Inne białka, które wiążą się z DNA niespecyficznie, obejmują białka jądrowe z grupy o wysokiej ruchliwości elektroforetycznej , znane jako HMG , które wiążą się z wygiętym lub zniekształconym DNA. Białka te są ważne dla zginania sieci nukleosomów i układania ich w większe struktury tworzące chromosomy.
Spośród białek o nieswoistych interakcjach z DNA szczególną grupę stanowią te, które wiążą się specyficznie z jednoniciowym DNA . W człowieka , białko A jest najlepiej zrozumieć reprezentatywne. Występuje, gdy dwie nici podwójnej helisy są rozdzielone, w szczególności podczas replikacji , rekombinacji i naprawy DNA . Wydaje się, że białka te stabilizują jednoniciowy DNA i zapobiegają tworzeniu się pętli macierzystej - struktur spinki do włosów - lub degradacji przez nukleazy .
Białka specyficzne dla sekwencji DNAI odwrotnie , inne białka wiążą się tylko z określonymi sekwencjami DNA. Wśród tych białek najlepiej zbadane są różne czynniki transkrypcyjne , które są białkami regulującymi transkrypcję . Każdy czynnik transkrypcyjny wiąże się tylko z określonym zestawem sekwencji DNA i aktywuje lub hamuje geny, których jedna z tych specyficznych sekwencji jest blisko promotora . Czynniki transkrypcyjne osiągają to na dwa sposoby. Mogą najpierw związać się z polimerazą RNA odpowiedzialną za transkrypcję, bezpośrednio lub za pośrednictwem innych białek mediatorów; to ustawia polimerazę na poziomie promotora i umożliwia jej rozpoczęcie transkrypcji. Mogą również wiązać się z enzymami, które modyfikują histony na poziomie promotora, co ma wpływ na modyfikację dostępności DNA dla polimerazy.
Ponieważ te cele DNA mogą być rozmieszczone w całym genomie organizmu, zmiana w aktywności jednego typu czynnika transkrypcyjnego może wpłynąć na tysiące genów. Dlatego białka te są często celem procesów transdukcji sygnału kontrolujących reakcje na zmiany środowiskowe, rozwój lub różnicowanie komórek . Specyfika interakcji tych czynników transkrypcyjnych z DNA wynika z faktu, że białka te nawiązują liczne kontakty z krawędziami zasad nukleinowych , co pozwala im „odczytywać” sekwencję DNA. Większość tych interakcji zachodzi w głównym rowku podwójnej helisy DNA, gdzie zasady są najbardziej dostępne.
W nukleazy są enzymy , które tną na nici DNA, do katalizowania się hydrolizie z wiązań fosfodiestrowych . Nukleazy, które rozszczepiają nukleotydy znajdujące się na końcach nici DNA nazywane są egzonukleazami , natomiast te, które rozszczepiają nukleotydy znajdujące się wewnątrz nici DNA nazywane są endonukleazami . Najczęściej stosowanymi nukleazami w biologii molekularnej są enzymy restrykcyjne , które rozszczepiają DNA w określonych sekwencjach . W ten sposób enzym EcoRV rozpoznaje sekwencję sześciu zasad 5'-GATATC-3 ' i rozszczepia ją w środku. In vivo enzymy te chronią bakterie przed infekcją przez fagi , trawiąc DNA tych wirusów, gdy dostanie się do komórki bakteryjnej. W inżynierii molekularnej wykorzystuje się je w technikach klonowania molekularnego oraz do określania genetycznego odcisku palca .
Ligazy DNAI odwrotnie, enzymy zwane ligazami DNA mogą ponownie przyłączyć złamane lub przecięte nici DNA. Enzymy te są szczególnie ważne podczas replikacji DNA, ponieważ to one zszywają fragmenty Okazaki wytwarzane na nici opóźniającej, zwanej również nicią pośrednią, na poziomie widełek replikacyjnych. Są również zaangażowani w mechanizmy naprawy DNA i rekombinacji genetycznej .
W Topoizomerazy są enzymy posiadające zarówno aktywność nukleazy oraz aktywność ligazy . Gyrazy DNA stanowi przykład takich enzymów. Białka te zmieniają szybkość superskręcenia DNA, przecinając podwójną helisę, aby umożliwić dwóm utworzonym segmentom obracanie się względem siebie, uwalniając superswoje przed ponownym zszyciem. Inne typy topoizomerazy są zdolne do cięcia podwójnej helisy, aby umożliwić przejście kolejnego segmentu podwójnej helisy przez tak utworzone przerwanie przed zamknięciem tego ostatniego. Topoizomerazy są niezbędne w wielu procesach z udziałem DNA, takich jak transkrypcja i replikacja DNA .
HelikazyW helikaz są typy silników molekularnych . Wykorzystują energię chemiczną trifosforanu nukleozydów , zasadniczo ATP , do rozrywania wiązań wodorowych między parami zasad i rozwijania podwójnej helisy DNA, aby uwolnić obie nici . Enzymy te są niezbędne w większości procesów, które wymagają od enzymów dostępu do zasad DNA.
Polimerazy DNAW polimeraz DNA to enzymy , które syntetyzują łańcuchy polinukleotydy z nukleozydowych trójfosforanów . Sekwencja łańcuchów, które syntetyzują, jest określona przez wcześniej istniejący łańcuch polinukleotydowy zwany macierzą . Enzymy te działają poprzez ciągłe dodawanie nukleotydów do hydroksylu na końcu 3 'rosnącego łańcucha polipeptydowego. Z tego powodu wszystkie polimerazy działają w kierunku od 5 'do 3' . Trifosforan nukleozydu mający zasadę komplementarną do tej z par matryc do niej w miejscu aktywnym tych enzymów, co umożliwia polimerazom wytwarzanie nici DNA, których sekwencja jest dokładnie komplementarna z sekwencją nici matrycowej. Polimerazy są klasyfikowane zgodnie z rodzajem stosowanych pasm.
Podczas replikacji , DNA-zależna polimeraza DNA wykonywania kopii nici DNA. W celu zachowania informacji genetycznej istotne jest, aby sekwencja zasad każdej kopii była dokładnie komplementarna z sekwencją zasad na nici matrycowej. W tym celu wiele polimeraz DNA ma zdolność korygowania ewentualnych błędów replikacji - funkcja korekty . Dlatego są w stanie zidentyfikować defekt w tworzeniu się pary zasad między nicią wzorcową a nicią rosnącą u podstawy, którą właśnie wstawili, i rozszczepić ten nukleotyd przy użyciu aktywności egzonukleazy 3 '→ 5' w celu wyeliminowania tej replikacji błąd. W większości organizmów polimerazy DNA działają w dużych kompleksach zwanych replisomami, które zawierają kilka uzupełniających się podjednostek, takich jak zaciski - pęseta DNA - i helikazy .
Polimerazy DNA zależne od RNA to klasa wyspecjalizowanych polimeraz zdolnych do kopiowania sekwencji RNA do DNA. Należą odwrotnej transkryptazy , który jest wirusowym enzym zaangażowany w zakażeniu gospodarza komórek przez retrowirusy i telomerazy , który jest istotnym enzymem dla telomeru replikacji . Telomeraza jest niezwykłą polimerazą, ponieważ zawiera w swojej strukturze własną matrycę RNA.
Polimerazy RNATranskrypcji jest wykonywana przez polimeraza RNA zależna od DNA, że kopie sekwencji DNA na RNA . Aby rozpocząć transkrypcję genu , polimeraza RNA najpierw wiąże sekwencję DNA zwaną promotorem i oddziela nici DNA. Następnie kopiuje sekwencję DNA stanowiącą gen do komplementarnej sekwencji RNA, aż dotrze do regionu DNA zwanego terminatorem , gdzie zatrzymuje się i odłącza od DNA. Jako DNA zależne od polimerazy DNA, polimeraza RNA II - enzym, który transkrybuje większość genów ludzkiego genomu - działa w dużym kompleksie białkowym zawierającym kilka podjednostek komplementarnych i regulacyjnych.
Każdy podział komórki poprzedza replikacja DNA prowadząca do replikacji chromosomów . Ten proces normalnie zachowuje informację genetyczną komórki , a każda z dwóch komórek potomnych dziedziczy pełne dziedzictwo genetyczne identyczne jak komórki macierzystej. Czasami jednak proces ten nie przebiega normalnie i zmienia się informacja genetyczna w komórce. Mówimy w tym przypadku o mutacji genetycznej . Ta zmiana z genotypem może być nieistotna, lub na odwrót, a także zmieniać fenotyp wynikających z ekspresji z odmiennymi genami .
Podwójna helisa DNA zwykle nie oddziałuje z innymi segmentami DNA, aw ludzkich komórkach różne chromosomy, nawet każdy z nich, zajmują własny region w jądrze nazywany terytorium chromosomalnym . Ta fizyczna separacja różnych chromosomów jest niezbędna dla funkcjonowania DNA jako stabilnego i trwałego repozytorium informacji genetycznej, ponieważ jeden z rzadkich przypadków interakcji chromosomów ma miejsce podczas krzyżowania odpowiedzialnego za rekombinację genetyczną , to znaczy, gdy dwie podwójne helisy DNA są uszkodzone, zamień ich sekcje i zespawaj ze sobą.
Rekombinacja umożliwia chromosomom wymianę materiału genetycznego i tworzenie nowych kombinacji genów , co zwiększa skuteczność doboru naturalnego i może mieć zasadnicze znaczenie dla szybkiej ewolucji nowych białek . Rekombinacja genetyczna może również wystąpić podczas naprawy DNA , zwłaszcza w przypadku jednoczesnego pęknięcia obu nici podwójnej helisy DNA.
Najpowszechniejszą formą rekombinacji chromosomów jest rekombinacja homologiczna , w której dwa oddziałujące ze sobą chromosomy mają bardzo podobne sekwencje . Rekombinacje niehomologiczne mogą poważnie uszkodzić komórki, ponieważ mogą prowadzić do translokacji i nieprawidłowości genetycznych. Reakcja rekombinacji jest katalizowana przez enzymy zwane rekombinazami , takie jak białko Rad51. Pierwszym krokiem w tym procesie jest przerwanie obu nici podwójnej helisy spowodowane przez endonukleazę lub uszkodzenie DNA. Seria etapów katalizowanych przez rekombinazę skutkuje połączeniem dwóch helis przez co najmniej jedno złącze Hollidaya, w którym jednoniciowy segment każdej podwójnej helisy jest zgrzewany z komplementarnym pasmem drugiej podwójnej helisy. Złącze Hollidaya to skrzyżowanie w kształcie krzyża, które, gdy nici mają symetryczne sekwencje, może poruszać się wzdłuż pary chromosomów, zamieniając jedną nić na drugą. Reakcję rekombinacji zatrzymuje przecięcie złącza i zszycie uwolnionego DNA.
Informacje genetyczne kodowane przez DNA niekoniecznie są utrwalone w czasie, a niektóre sekwencje mogą przenosić się z jednej części genomu do drugiej. To są mobilne elementy genetyczne . Te elementy są mutagenne i mogą zmieniać genom komórek . Wśród nich są zwłaszcza transpozony i retrotranspozony , przy czym te ostatnie działają, w przeciwieństwie do pierwszego, poprzez pośredni RNA, oddając sekwencję DNA pod działaniem odwrotnej transkryptazy . Poruszają się w genomie pod wpływem transpozaz , określonych enzymów, które oddzielają je z jednego miejsca i sklejają z powrotem w innym miejscu w genomie komórki i uważa się, że są odpowiedzialne za migrację nie mniej niż 40% ludzkiego genomu podczas ewolucji Homo sapiens .
Te elementy zdolne do transpozycji stanowią ważną część genomu istot żywych, w szczególności w roślinach, gdzie często stanowią one większość jądrowego DNA , na przykład w kukurydzy, gdzie 49–78% genomu składa się z retrotranspozonów. W pszenicy prawie 90% genomu składa się z powtarzających się sekwencji i 68% z elementów zdolnych do transpozycji. U ssaków prawie połowa genomu - 45-48% - składa się z elementów zdolnych do transpozycji lub ich pozostałości, a około 42% genomu ludzkiego składa się z retrotranspozonów, a 2 do 3% z transpozonów DNA. Są zatem ważnymi elementami w funkcjonowaniu i ewolucji genomu organizmów.
Tak zwane grupy I i grupy II introny inne ruchome elementy genetyczne. Są to rybozymy , to znaczy sekwencje RNA obdarzone właściwościami katalitycznymi , takimi jak enzymy , zdolne do autokatalizy własnego splicingu . Te w grupie, w których potrzebuję nukleotydów guaniny, aby funkcjonować, w przeciwieństwie do tych z grupy II . Na przykład introny grupy I znajdują się sporadycznie w bakteriach , bardziej istotnie u prostych eukariontów oraz w bardzo dużej liczbie roślin wyższych. Wreszcie, można je znaleźć w genach dużą liczbą bakteriofagów z bakterii Gram-dodatnich , ale tylko kilka fagi z bakterii Gram-ujemnych - np faga T4 .
Informacja genetyczna komórki może ewoluować pod wpływem włączenia egzogennego materiału genetycznego wchłoniętego przez błonę plazmatyczną . Mówimy o poziomym transferze genów , w przeciwieństwie do transferu pionowego wynikającego z reprodukcji istot żywych. Jest ważnym czynnikiem ewolucyjnym wielu organizmów, zwłaszcza jednokomórkowych . Ten proces często obejmuje bakteriofagi lub plazmidy .
Te bakterie zdolne do właściwości mogą bezpośrednio absorbują cząsteczki DNA zewnętrznego i włączyć go do własnego genomu , w procesie zwanym transformację genetyczną . Mogą również otrzymać ten DNA jako plazmid z innej bakterii w procesie koniugacji bakteryjnej . Wreszcie, mogą otrzymać to DNA za pośrednictwem bakteriofaga ( wirusa ) w drodze transdukcji . Do eukariontów mogą także otrzymać egzogennego materiału genetycznego w procesie zwanym transfekcji .
DNA zawiera wszystkie informacje genetyczne, które pozwalają żywym istotom żyć, rosnąć i rozmnażać się. Nie wiadomo jednak, czy w ciągu 4 miliardów lat historii życia na Ziemi DNA zawsze odgrywało taką rolę. Jedna z teorii sugeruje, że był to inny kwas nukleinowy , RNA , który był nośnikiem informacji genetycznej pierwszych form życia, które pojawiły się na naszej planecie. RNA, że odgrywają główną rolę we wczesnej postaci metabolizmu komórkowego do tego stopnia, że może zarówno do przenoszenia informacji genetycznej i katalizuje się reakcje chemiczne tworzące rybozymy . Ten świat RNA , w którym RNA służyłby zarówno jako wsparcie dla dziedziczności, jak i jako enzymy , wpłynąłby na ewolucję kodu genetycznego z czterema zasadami nukleinowymi , co stanowi kompromis między precyzją kodowania informacji genetycznej preferowaną przez z jednej strony mała liczba zasad, z drugiej zaś skuteczność katalityczna enzymów, na korzyść większej liczby monomerów .
Jednak nie ma bezpośrednich dowodów na istnienie w przeszłości systemów metabolicznych i genetycznych innych niż te, które znamy dzisiaj, ponieważ nadal niemożliwe jest wydobycie materiału genetycznego z większości skamieniałości . DNA nie przetrwa dłużej niż milion lat, zanim zostanie rozbite na krótkie fragmenty. Istnienia nieuszkodzonej najstarszego DNA zaproponowano, zwłaszcza bakteria opłacalne ekstrahowano z kryształem z soli starego 150 milionów lat, ale te publikacje są kontrowersyjne.
Niektóre składniki DNA - adenina , guanina i pokrewne związki organiczne - mogły powstać w kosmosie . Składniki DNA i RNA, takie jak uracyl , cytozyna i tymina, zostały również uzyskane w laboratorium w warunkach odtwarzających te występujące w środowisku międzyplanetarnym i międzygwiazdowym z prostszych związków, takich jak pirymidyna , znalezionych w meteorytach . Pirymidyny, takie jak niektóre wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (PAH) - Wartość najbogatsi węglowe związki wykrywane w świecie - może tworzyć się w czerwonych olbrzymich gwiazdek lub obłoków .
Opracowano metody oczyszczania DNA z organizmów żywych, takie jak ekstrakcja fenolowo-chloroformową i manipulowania nim w laboratorium, takie jak enzymy restrykcyjne i PCR . Współczesna biologia i biochemia szeroko wykorzystują te techniki w klonowaniu molekularnym (in) . Rekombinowanego DNA jest sekwencja syntetycznego DNA zmontowanym od innych sekwencji DNA. Takie DNA może transformować organizmy w postaci plazmidów lub przy pomocy wektora wirusowego . Powstałe organizmy zmodyfikowane genetycznie (GMO) można wykorzystać do produkcji np. Białek rekombinowanych, wykorzystywanych w badaniach medycznych lub w rolnictwie .
DNA wyekstrahowane z krwi , nasienia , śliny , fragmentu skóry lub włosów pobranych na miejscu zbrodni może zostać wykorzystane w medycynie sądowej do ustalenia odcisku palca DNA podejrzanego. W tym celu sekwencję segmentów DNA, takich jak sekwencje mikrosatelitarne lub minisatelity, porównuje się z sekwencją osób wybranych na tę okazję lub już wymienionych w bazach danych. Ta metoda jest na ogół bardzo niezawodna w identyfikacji DNA odpowiadającego DNA podejrzanej osoby. Identyfikacja może być jednak bardziej skomplikowana, jeśli miejsce zbrodni jest skażone DNA od więcej niż jednej osoby. Identyfikacja DNA została opracowana w 1984 roku przez brytyjskiego genetyka Sir Aleca Jeffreysa i została po raz pierwszy użyta w 1987 roku do pomylenia gwałciciela z seryjnym mordercą .
O ile DNA gromadzi mutacje w czasie, które są przenoszone przez dziedziczenie , zawiera informacje historyczne, które analizowane przez genetyków przez porównanie sekwencji organizmów o różnych historiach pozwalają prześledzić historię ewolucji tych organizmów, to znaczy ich filogeneza . Ta dyscyplina, stawiając genetykę w służbie paleobiologii , oferuje potężne narzędzie badawcze w biologii ewolucyjnej . Porównując sekwencje DNA tego samego gatunku , genetycy populacyjni mogą badać historię poszczególnych populacji organizmów żywych, w zakresie od genetyki ekologicznej po antropologię . Tak więc, badania mitochondrialnego DNA w populacji ludzkiej jest używany do śledzenia migracji z Homo sapiens . Na przykład haplogrupa X została zbadana w paleodemografii w celu oceny możliwego pokrewieństwa Paleo-Indian z europejskimi populacjami z górnego paleolitu .
( fr ) Drzewo filogenetyczne podkreślające trzy obszary życia: eukarionty są reprezentowane na czerwono, archeony na zielono, a bakterie na niebiesko.
Mapa ludzkich migracji wyprowadzona z filogenetycznych badań na ludzkim genomie mitochondrialnym .
Bioinformatyka obejmuje manipulację, badanie i eksplorację danych biologicznych, w tym sekwencji DNA. Rozwój technik przechowywania i wyszukiwania sekwencji DNA doprowadził do postępu komputerowego szeroko stosowanego w innych miejscach, zwłaszcza w odniesieniu do algorytmów wyszukiwania podciągów , uczenia maszynowego i teorii baz danych . W ciąg znaków wyszukiwania algorytmy , które sprawiają, że jest możliwe, aby znaleźć sekwencję liter zawartych w sekwencji dłuższych listów, które zostały opracowane, aby szukać konkretnych sekwencji z nukleotydów . Sekwencję DNA można dopasować do innych sekwencji DNA, aby zidentyfikować sekwencje homologiczne i zlokalizować specyficzne mutacje, które je odróżniają. Techniki te, w tym dopasowanie wielu sekwencji , są wykorzystywane do badania związków filogenetycznych i funkcji białek .
Repozytoria danych reprezentujących pełną sekwencję genomu, takie jak te wytworzone w ramach projektu Human Genome Project , osiągają taki rozmiar, że trudno je wykorzystać bez adnotacji określających lokalizację genów i elementów regulatorowych na każdym chromosomie . Regiony sekwencji DNA, które mają charakterystyczne motywy związane z genami kodującymi funkcjonalne białka lub RNA, można zidentyfikować za pomocą algorytmów przewidywania genów , które pozwalają badaczom przewidzieć obecność określonych produktów genowych i ich możliwą funkcję w organizmie. są izolowane eksperymentalnie. Można również porównywać całe genomy, co może uwydatnić ewolucyjną historię poszczególnych organizmów i umożliwić badanie złożonych wydarzeń ewolucyjnych.
Nanotechnologii DNA wykorzystać unikalne właściwości rozpoznawania cząsteczkowego (i) DNA, a bardziej ogólnie z kwasów nukleinowych do utworzenia kompleksów DNA rozgałęzione samoorganizującą wyposażony interesujących właściwości. Z tego punktu widzenia DNA jest wykorzystywane raczej jako materiał strukturalny niż jako nośnik informacji biologicznej. Doprowadziło to do powstania dwuwymiarowych układów okresowych, niezależnie od tego, czy są one złożone z cegieł, czy w procesie origami DNA , czy też trójwymiarowe, mające kształt wielościenny . Stworzono również nanomaszyny DNA i konstrukcje oparte na algorytmicznym samoorganizowaniu się . Takie struktury DNA można by wykorzystać do uporządkowania innych cząsteczek, takich jak nanocząsteczki złota i cząsteczki streptawidyny , białka, które tworzy bardzo odporne kompleksy z biotyną . Badania nad elektroniką molekularną opartą na DNA doprowadziły firmę Microsoft do opracowania języka programowania zwanego przemieszczeniem nici DNA (DSD), używanego w niektórych przykładach wykonania molekularnych elementów nanoelektronicznych opartych na DNA.
Ponieważ DNA jest używane przez żywe istoty do przechowywania ich informacji genetycznej , niektóre zespoły badawcze badają je również jako nośnik do przechowywania informacji cyfrowych w taki sam sposób, jak pamięć komputera . Te kwasy nukleinowe przedstawi rzeczywiście przewagę przechowującego informacje gęstość znacznie wyższy niż w przypadku tradycyjnych mediów - teoretycznie ponad dziesięciu rzędów wielkości - o długości życia również znacznie wyższa.
Teoretycznie jest możliwe, aby zakodować dwa bity z danymi na nukleotydu , co pozwala pojemność wyniósł 455 milionów terabajtów na gram DNA pojedynczej nici są do odczytania przez kilka tysięcy lat, nawet w nie idealnych warunkach przechowywania, i kodowania techniki do 215.000 TB gram DNA został zaproponowany w 2017 roku; Dla porównania dwustronny, dwuwarstwowy dysk DVD zawiera zaledwie 17 gigabajtów przy typowej masie 16 g - to 400 miliardów razy mniej miejsca na jednostkę masy. W ten sposób zespołowi z Europejskiego Instytutu Bioinformatyki w 2012 r. Udało się zakodować 757 051 bajtów z 17 940 195 nukleotydów , co odpowiada gęstości pamięci wynoszącej około 2200 terabajtów na gram DNA. Ze swojej strony szwajcarski zespół opublikował w lutym 2015 r. Badanie wykazujące odporność DNA zamkniętego w krzemionce jako trwałego nośnika informacji.
Ponadto inne zespoły pracują nad możliwością przechowywania informacji bezpośrednio w żywych komórkach , na przykład w celu zakodowania liczników w DNA komórki w celu określenia liczby podziałów lub różnic , które mogłyby znaleźć zastosowanie w badaniach nad rakiem i starzeniem się .
DNA zostało po raz pierwszy wyizolowane w 1869 roku przez szwajcarskiego biologa Friedricha Mieschera jako substancja bogata w fosfor z ropy użytych bandaży chirurgicznych. Ponieważ substancja ta została znaleziona w jądra z komórek , Miescher nazwał go nuclein . W 1878 roku niemiecki biochemik Albrecht Kossel wyizolował niebiałkowy składnik tej „nukleiny” - kwasy nukleinowe - a następnie zidentyfikował pięć zasad nukleinowych . W 1919 roku amerykański biolog Phoebus Levene zidentyfikował składniki nukleotydów , to znaczy obecność zasady , ose i grupy fosforanowej . Zasugerował, że DNA składa się z łańcucha nukleotydów połączonych ze sobą grupami fosforanowymi. Pomyślał, że łańcuchy są krótkie i że bazy podążają za sobą wielokrotnie w ustalonej kolejności. W 1937 roku brytyjski fizyk i biolog molekularny William Astbury stworzył pierwszy wzór dyfrakcji DNA metodą krystalografii rentgenowskiej , pokazując, że DNA ma uporządkowaną strukturę.
W 1927 roku rosyjski biolog Nikolai Koltsov doszedł do wniosku, że dziedziczność opiera się na „gigantycznej dziedzicznej cząsteczce” złożonej z „dwóch lustrzanych nici, które będą się rozmnażać w sposób półkonserwatywny, używając każdego z nich jako modelu”. Uważał jednak, że są to białka niosące informację genetyczną. W 1928 r. Angielski bakteriolog Frederick Griffith przeprowadził słynny eksperyment, który teraz nosi jego imię i dzięki któremu wykazał, że żywe, niezjadliwe bakterie, które miały kontakt z zjadliwymi bakteriami zabitymi przez ciepło, mogą zostać przekształcone w zjadliwe bakterie. Eksperyment ten utorował drogę do identyfikacji w 1944 r. DNA jako wektora informacji genetycznej w ramach eksperymentu Avery'ego, MacLeoda i McCarty'ego . Belgijski biochemik Jean Brachet wykazał w 1946 r., Że DNA jest składnikiem chromosomów , a rolę DNA w dziedziczności potwierdziły w 1952 r . Eksperymenty Hershey i Chase, które wykazały, że materiał genetyczny faga T2 składa się z DNA.
Pierwsza antyrównoległa struktura podwójnej helisy uznana dzisiaj za prawidłowy model DNA została opublikowana w 1953 roku przez amerykańskiego biochemika Jamesa Watsona i brytyjskiego biologa Francisa Cricka w klasycznym już artykule w czasopiśmie Nature . Pracowali nad tym tematem od 1951 r. W Cavendish Laboratory na Uniwersytecie w Cambridge i jako taka prowadzili prywatną korespondencję z austriackim biochemikiem Erwinem Chargaffem , pierwotnie wydaną wiosną 1952 r. Regułami Chargaffa , pod którymi w ramach cząsteczki DNA , poziom każdej z zasad purynowych jest zasadniczo równy poziomowi jednej z dwóch zasad pirymidynowych , a dokładniej poziom guaniny jest równy poziomowi cytozyny, a poziom adeniny jest równy poziomowi tyminy , co sugeruje pomysł połączenia adeniny z tyminą i guaniny z cytozyną.
W maju 1952 r. Brytyjski student Raymond Gosling , który pracował pod kierunkiem Rosalind Franklin w zespole Johna Randalla , wykonał obraz dyfrakcji rentgenowskiej ( tabl. 51 ) silnie uwodnionego kryształu DNA. Ta migawka została udostępniona Crickowi i Watsonowi bez wiedzy Franklina i odegrała kluczową rolę w ustaleniu prawidłowej struktury DNA. Franklin wskazał również dwóm badaczom, że szkielet fosforowy struktury powinien znajdować się poza nią, a nie w pobliżu centralnej osi, jak wówczas sądzono. Następnie zidentyfikowała kosmiczne skupisko kryształów DNA, co umożliwiło Crickowi ustalenie, że dwie nici DNA są przeciwrównoległe. Podczas gdy Linus Pauling i Robert Corey opublikowali model molekularny kwasu nukleinowego utworzonego z trzech łańcuchów splecionych z, zgodnie z ówczesnymi ideami, grupami fosforanowymi w pobliżu osi centralnej i zasadami nukleinowymi skierowanymi na zewnątrz, Crick i Watson sfinalizowali w lutym 1953 ich antyrównoległy model dwułańcuchowy z grupami fosforanowymi na zewnątrz i zasadami nukleinowymi wewnątrz podwójnej helisy, model uważany obecnie za pierwszy prawidłowy model DNA, jaki kiedykolwiek zaproponowano.
Praca ta została opublikowana w czasopiśmie Nature z 25 kwietnia 1953 r. W postaci pięciu artykułów opisujących strukturę sfinalizowaną przez Cricka i Watsona, a także dowody potwierdzające ten wynik. W pierwszym artykule, zatytułowanym Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid , Crick i Watson stwierdzają: „Nie uszło naszej uwadze, że postulowane przez nas konkretne parowanie natychmiast sugeruje możliwy mechanizm replikacji materiału. Genetyka ”. Po tym artykule nastąpiła publikacja Brytyjczyka Maurice'a Wilkinsa i wsp. skupienie się na dyfrakcji rentgenowskiej przez B-DNA in vivo , która potwierdziła istnienie struktury podwójnej helisy w żywych komórkach, a nie tylko in vitro , oraz pierwsza publikacja pracy Franklina i Goslina na temat danych uzyskanych przez promieniowanie rentgenowskie dyfrakcja i ich własna metoda analizy.
Rosalind Franklin zmarła w 1958 r. Na raka i dlatego nie otrzymała Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny przyznanej w 1962 r. „Za odkrycia dotyczące struktury molekularnej kwasów nukleinowych i ich znaczenia w przekazywaniu informacji genetycznej w żywej materii”, Francis Crick, James Watson i Maurice Wilkins, którzy nie mieli ani słowa, by pochwalić Franklina swoją pracą; fakt, że nie była związana z tą nagrodą Nobla, jest nadal przedmiotem dyskusji.
W 1957 roku Crick opublikował artykuł kształtujący to, co jest dziś znane jako podstawowa teoria biologii molekularnej , opisując związki między DNA, RNA i białkami , wyrażone wokół „adaptera”. Potwierdzenie trybu semikonserwatywnej replikacji podwójnej helisy nastąpiło w 1958 roku w eksperymencie Meselsona i Stahla . Crick i in. kontynuowali prace i wykazali, że kod genetyczny oparty jest na kolejnych trojaczkach zasad nukleinowych zwanych kodonami , co umożliwiło rozszyfrowanie samego kodu genetycznego przez Roberta W. Holleya , Har Gobinda Khorana i Marshalla W. Nirenberga . Odkrycia te oznaczały narodziny biologii molekularnej .
Spiralna struktura DNA zainspirowała wielu artystów, najbardziej znany jest z surrealistyczny malarz Salvador Dali , który był inspirowany przez niego w dziewięciu obrazach między 1956 i 1976 , w tym Paysage de papillon (The Great Masturbator w surrealistyczny krajobraz z DNA) (1957 -1958) i Galacidalacidesoxyribonucleicacid (1963).
„ Odzyskaliśmy 757 051 bajtów informacji z 337 pg DNA, co daje gęstość przechowywania informacji 2,2 PB / g (= 757 051/337 × 10-12 ) . Zauważmy, że gęstość ta informacja jest wystarczająca do przechowywania amerykańskiego National Archives oraz Records Administration w 2011 Suma elektronicznej dokumentacji Archives' o ~ 100 TB w < 0,05 g DNA, Internet Archive Wayback maszynach męska 2 PB archiwum stron internetowych w ~ 1 g od DNA i system CERN 80 PB CASTOR do danych LHC w ~ 35 g DNA. "
" 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. "
„Myślę, że wielkość chromosomów w gruczołach ślinowych [ Drosophila ] jest określana przez namnażanie genonemów. Określam tym terminem osiową nić chromosomu, w której genetycy lokalizują liniową kombinację genów; … W normalnym chromosomie jest zwykle tylko jeden genonem; Stwierdzono, że przed podziałem komórki ten genonem jest podzielony na dwie nici. "
„ Butterfly Landscape (Wielki masturbator w surrealistycznym krajobrazie z DNA) pokazuje ujęcie Dalego. Chociaż był to pierwszy, stworzony zaledwie kilka lat po ogłoszeniu przez Watsona i Cricka podwójnej helisy, DNA pojawi się w wielu przyszłych pracach Dalego. Będąc agentem stworzenia, być może łatwo jest zrozumieć, dlaczego motyle wyrastają z ikonicznej struktury tego obrazu. Ale wydaje się również, że Dali użył DNA, aby symbolizować nie tylko stworzenie, ale także większą ideę Boga, i może dlatego część struktury molekularnej wyraźnie wystaje z chmur. "
„Salvador Dali przywołuje swój związek z nauką, w szczególności z DNA, jako źródło inspiracji dla swojej pracy. Nadaje nauce wymiar poetycki i przekierowuje ją na cele plastyczne. Inscenizuje go i wykorzystuje w służbie swoich fantazji i metodzie „krytycznej dla paranoi”. "