Дезоксирибонуклеиновая кислота

Двойная спираль ДНК

Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — макромолекула (одна из трех основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках — долговременное хранение информации о структуре РНК и белков.

В клетках эукариот (например, животных или растений) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клеткахпрокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например,дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно- или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовыватьгеном ДНК-содержащих вирусов.

С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы. В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связямисогласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции. Кроме того, в геноме эукариот часто встречаются участки, принадлежащие «генетическим паразитам», например, транспозонам.

Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии или медицине 1962 г. Розалинд Франклин, которая получила рентгенограммы, без которых Уотсон и Крик не имели бы возможность сделать выводы о структуре ДНК, умерла в 1958 г., а Нобелевскую премию не дают посмертно.

Содержание

• 1 История изучения
• 2 Структура молекулы
  • 2.1 Нуклеотиды
  • 2.2 Двойная спираль
  • 2.3 Образование связей между основаниями
  • 2.4 Химические модификации оснований
  • 2.5 Повреждение ДНК
  • 2.6 Суперскрученность
  • 2.7 Структуры на концах хромосом
• 3 Биологические функции
  • 3.1 Структура генома
  • 3.2 Последовательности генома, не кодирующие белок
  • 3.3 Транскрипция и трансляция
  • 3.4 Репликация
• 4 Взаимодействие с белками
  • 4.1 Структурные и регуляторные белки
  • 4.2 Ферменты, модифицирующие ДНК
    • 4.2.1 Топоизомеразы и хеликазы
    • 4.2.2 Нуклеазы и лигазы
    • 4.2.3 Полимеразы
• 5 Генетическая рекомбинация
• 6 Эволюция метаболизма, основанного на ДНК
• 7 См. также
• 8 Примечания
• 9 Литература
• 10 Ссылки

История изучения

Френсис Крик

Джеймс Уотсон

ДНК была открыта Иоганном Фридрихом Мишером в 1869 году. Из остатков клеток, содержащихся в гное, он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. Вначале новое вещество получило название нуклеин, а позже, когда Мишер определил, что это вещество обладает кислотными свойствами, вещество получило название нуклеиновая кислота^[1]. Биологическая функция новооткрытого вещества была неясна, и долгое время ДНК считалась запасником фосфора в организме. Более того, даже в начале XX века многие биологи считали, что ДНК не имеет никакого отношения к передаче информации, поскольку строение молекулы, по их мнению, было слишком однообразным и не могло содержать закодированную информацию.

Постепенно было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось раньше, является носителем генетической информации. Одно из первых решающих доказательств принесли эксперименты О. Эвери, Колина Мак-Леода и Маклин Мак-Карти (1944 г.) по трансформации бактерий. Им удалось показать, что за так называемую трансформацию (приобретение болезнетворных свойств безвредной культурой в результате добавления в неё мёртвых болезнетворных бактерий) отвечают выделенные из пневмококков ДНК. Эксперимент американских учёных Алфреда Херши и Марты Чейз (эксперимент Херши — Чейз, 1952 г.) с помеченными радиоактивными изотопами белками и ДНК бактериофагов показали, что в заражённую клетку передаётся только нуклеиновая кислота фага, а новое поколение фага содержит такие же белки и нуклеиновую кислоту, как исходный фаг^[2].

Вплоть до 50-х годов XX века точное строение ДНК, как и способ передачи наследственной информации, оставалось неизвестным. Хотя и было доподлинно известно, что ДНК состоит из нескольких цепочек, состоящих из нуклеотидов, никто не знал точно, сколько этих цепочек и как они соединены.

Структура двойной спирали ДНК была предложена Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном в 1953 году на основании рентгеноструктурных данных, полученных Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин, и «правил Чаргаффа», согласно которым в каждой молекуле ДНК соблюдаются строгие соотношения, связывающие между собой количество азотистых оснований разных типов^[3]. Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана, а их работа отмечена Нобелевской премией по физиологии или медицине 1962 г. Среди лауреатов не было скончавшейся к тому времени Розалинды Франклин, так как премия не присуждается посмертно^[4].

Структура молекулы

Нуклеотиды

Аденин	Гуанин	Тимин	Цитозин

Структуры оснований, наиболее часто встречающихся в составе ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой биополимер (полианион), мономером которого является нуклеотид^[5][6].

Каждый нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, присоединённого по 5'-положению к сахару дезоксирибозе, к которому также через гликозидную связь (C—N) по 1'-положению присоединено одно из четырёх азотистых оснований. Именно наличие характерного сахара и составляет одно из главных различий между ДНК и РНК, зафиксированное в названиях этих нуклеиновых кислот (в состав РНК входит сахар рибоза)^[7]. Пример нуклеотида — аденозинмонофосфат — где основание, присоединённое к фосфату и рибозе, это аденин, показан на рисунке.

Исходя из структуры молекул, основания, входящие в состав нуклеотидов, разделяют на две группы: пурины (аденин [A] и гуанин[G]) образованы соединёнными пяти- и шестичленным гетероциклами; пиримидины (цитозин [C] и тимин [T]) — шестичленным гетероциклом^[8].

В виде исключения, например, у бактериофага PBS1, в ДНК встречается пятый тип оснований — урацил ([U]), пиримидиновое основание, отличающееся от тимина отсутствием метильной группы на кольце, обычно заменяющее тимин в РНК^[9].

Следует отметить, что тимин и урацил не так строго приурочены к ДНК и РНК соответственно, как это считалось ранее. Так, после синтеза некоторых молекул РНК значительное число урацилов в этих молекулах метилируется с помощью специальных ферментов, превращаясь в тимин. Это происходит в транспортных и рибосомальных РНК^[10].

Двойная спираль

В зависимости от концентрации ионов и нуклеотидного состава молекулы, двойная спираль ДНК в живых организмах существует в разных формах. На рисунке представлены формы A, B и Z(слева направо)

Полимер ДНК обладает довольно сложной структурой. Нуклеотиды соединены между собой ковалентно в длинные полинуклеотидные цепи. Эти цепи в подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, обладающих одноцепочечными ДНК-геномами) попарно объединяются при помощи водородных связей во вторичную структуру, получившую название двойной спирали^[3][7]. Остов каждой из цепей состоит из чередующихся фосфатов и сахаров^[11]. Внутри одной цепи ДНК соседние нуклеотиды соединены фосфодиэфирными связями, которые формируются в результате взаимодействия между 3'-гидроксильной (3'—ОН) группой молекулы дезоксирибозы одного нукдеотида и 5'-фосфатной группой (5'—РО₃) другого. Асимметричные концы цепи ДНК называются 3' (три прим) и 5' (пять прим). Полярность цепи играет важную роль при синтезе ДНК (удлинение цепи возможно только путём присоединения новых нуклеотидов к свободному 3'-концу).

Как уже было сказано выше, у подавляющего большинства живых организмов ДНК состоит не из одной, а из двух полинуклеотидных цепей. Эти две длинные цепи закручены одна вокруг другой в виде двойной спирали, стабилизированной водородными связями, образующимися между обращёнными друг к другу азотистыми основаниями входящих в неё цепей. В природе эта спираль, чаще всего, правозакрученная. Направления от 3'-конца к 5'-концу в двух цепях, из которых состоит молекула ДНК, противоположны (цепи «антипараллельны» друг другу).

Ширина двойной спирали составляет от 22 до 24 Å, или 2,2 — 2,4 нм, длина каждого нуклеотида 3,3 Å (0,33 нм)^[12]. Подобно тому, как в винтовой лестнице сбоку можно увидеть ступеньки, на двойной спирали ДНК в промежутках между фосфатным остовом молекулы можно видеть рёбра оснований, кольца которых расположены в плоскости, перпендикулярной по отношению к продольной оси макромолекулы.

В двойной спирали различают малую (12 Å) и большую (22 Å) бороздки^[13]. Белки, например, факторы транскрипции, которые присоединяются к определённым последовательностям в двухцепочечной ДНК, обычно взаимодействуют с краями оснований в большой бороздке, где те более доступны^[14].

Интеркалированное химическое соединение, которое находится в середине спирали — бензопирен, основной мутаген табачного дыма^[18]

Химические модификации оснований

Основная статья: Метилирование ДНК

Структура хроматина влияет на транскрипцию генов: участки гетерохроматина (отсутствие или низкий уровень транскрипции генов) коррелируют с метилированием цитозина. Например, метилирование цитозина с образованием 5-метилцитозина важно для инактивации Х-хромосомы^[19]. Средний уровень метилирования отличается у разных организмов, так, у нематодыCaenorhabditis elegans метилирование цитозина не наблюдается, а у позвоночных обнаружен высокий уровень метилирования — до 1 %^[20].

Несмотря на биологическую роль, 5-метилцитозин может спонтанно утрачивать аминную группу (деаминироваться), превращаясь в тимин, поэтому метилированные цитозины являются источником повышенного числа мутаций^[21]. Другие модификации оснований включают метилирование аденина у бактерий и гликозилирование урацила с образованием «J-основания» в кинетопластах^[22].

Повреждение ДНК

Основная статья: Мутация

ДНК может повреждаться разнообразными мутагенами, к которым относятся окисляющие и алкилирующие вещества, а также высокоэнергетическая электромагнитная радиация —ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Тип повреждения ДНК зависит от типа мутагена. Например, ультрафиолет повреждает ДНК путём образования в ней димеров тимина, которые возникают при образовании ковалентных связей между соседними основаниями^[23].

Оксиданты, такие как свободные радикалы или перекись водорода, приводят к нескольким типам повреждения ДНК, включая модификации оснований, в особенности гуанозина, а также двухцепочечные разрывы в ДНК^[24]. По некоторым оценкам, в каждой клетке человека окисляющими соединениями ежедневно повреждается порядка 500 оснований^[25][26]. Среди разных типов повреждений наиболее опасные — это двухцепочечные разрывы, потому что они трудно репарируются и могут привести к потерям участков хромосом (делециям) и транслокациям.

Многие молекулы мутагенов вставляются (интеркалируют) между двумя соседними парами оснований. Большинство этих соединений, например, этидий, даунорубицин, доксорубицин италидомид имеют ароматическую структуру. Для того чтобы интеркалирующее соединение могло поместиться между основаниями, они должны разойтись, расплетая и нарушая структуру двойной спирали. Эти изменения в структуре ДНК мешают транскрипции и репликации, вызывая мутации. Поэтому интеркалирующие соединения часто являются канцерогенами, наиболее известные из которых — бензопирен, акридины,афлатоксин и бромистый этидий^[27][28][29]. Несмотря на эти негативные свойства, в силу их способности подавлять транскрипцию и репликацию ДНК, интеркалирующие соединения используются в химиотерапии для подавления быстро растущих клеток рака^[30].

Суперскрученность

Основная статья: Суперскрученная ДНК

Если взяться за концы верёвки и начать скручивать их в разные стороны, она становится короче и на верёвке образуются «супервитки». Так же может быть суперскручена и ДНК. В обычном состоянии цепочка ДНК делает один оборот на каждые 10,4 основания, но в суперскрученном состоянии спираль может быть свёрнута туже или расплетена^[31]. Выделяют два типа суперскручивания: положительное — в направлении нормальных витков, при котором основания расположены ближе друг к другу; и отрицательное — в противоположном направлении. В природе молекулы ДНК обычно находятся в отрицательном суперскручивании, которое вносится ферментами — топоизомеразами^[32]. Эти ферменты удаляют дополнительное скручивание, возникающее в ДНК в результате транскрипции и репликации^[33].

Структуры на концах хромосом

На концах линейных хромосом находятся специализированные структуры ДНК, называемые теломерами. Основная функция этих участков — поддержание целостности концов хромосом^[35]. Теломеры также защищают концы ДНК от деградации экзонуклеазами и предотвращают активацию системы репарации^[36]. Поскольку обычные ДНК-полимеразы не могут реплицировать 3' концы хромосом, это делает специальный фермент — теломераза.

В клетках человека теломеры часто представлены одноцепочечной ДНК и состоят из нескольких тысяч повторяющихся единиц последовательности ТТАГГГ^[37]. Эти последовательности с высоким содержанием гуанина стабилизируют концы хромосом, формируя очень необычные структуры, называемые G-квадруплексами и состоящие из четырёх, а не двух взаимодействующих оснований. Четыре гуаниновых основания, все атомы которых находятся в одной плоскости, образуют пластинку, стабилизированную водородными связями между основаниями и хелатированием в центре неё иона металла (чаще всего калия). Эти пластинки располагаются стопкой друг над другом^[38].

На концах хромосом могут образовываться и другие структуры: основания могут быть расположены в одной цепочке или в разных параллельных цепочках. Кроме этих «стопочных» структур теломеры формируют большие петлеобразные структуры, называемые Т-петли или теломерные петли. В них одноцепочечная ДНК располагается в виде широкого кольца, стабилизированного теломерными белками^[39]. В конце Т-петли одноцепочечная теломерная ДНК присоединяется к двухцепочечной ДНК, нарушая спаривание цепочек в этой молекуле и образуя связи с одной из цепей. Это трёхцепочечное образование называется Д-петля (от англ. displacement loop)^[38].

Структура теломер. Зелёным цветом показан ион металла, хелатированный в центре структуры^[34]

Биологические функции

ДНК является носителем генетической информации, записанной в виде последовательности нуклеотидов с помощью генетического кода. С молекулами ДНК связаны два основополагающих свойства живых организмов — наследственность и изменчивость. В ходе процесса, называемого репликацией ДНК, образуются две копии исходной цепочки, наследуемые дочерними клетками при делении, таким образом образовавшиеся клетки оказываются генетически идентичны исходной.

Генетическая информация реализуется при экспрессии генов в процессах транскрипции (синтеза молекул РНК на матрице ДНК) и трансляции (синтеза белков на матрице РНК).

Последовательность нуклеотидов «кодирует» информацию о различных типах РНК: информационных, или матричных (мРНК), рибосомальных (рРНК) и транспортных (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на основе ДНК в процессетранскрипции. Роль их в биосинтезе белков (процессе трансляции) различна. Информационная РНК содержит информацию о последовательности аминокислот в белке, рибосомальные РНК служат основой для рибосом (сложных нуклеопротеиновых комплексов, основная функция которых — сборка белка из отдельных аминокислот на основе иРНК), транспортные РНК доставляют аминокислоты к месту сборки белков — в активный центр рибосомы, «ползущей» 

Структура генома

Основные статьи: Геном, Ген, Клеточное ядро, Хроматин, Хромосома

ДНК генома бактериофага: фотография под просвечивающим электронным микроскопом

Большинство природных ДНК имеет двухцепочечную структуру, линейную (эукариоты, некоторые вирусы и отдельные роды бактерий) или кольцевую (прокариоты, хлоропласты и митохондрии). Линейную одноцепочечную ДНК содержат некоторые вирусы и бактериофаги. Молекулы ДНК находятся in vivo в плотно упакованном, конденсированном состоянии.^[40] В клетках эукариот ДНК располагается главным образом в ядре в виде набора хромосом. Бактериальная (прокариоты) ДНК обычно представлена одной кольцевой молекулой ДНК, расположенной в неправильной формы образовании в цитоплазме, называемым нуклеоидом^[41]. Генетическая информация генома состоит из генов. Ген — единица передачи наследственной информации и участок ДНК, который влияет на определённую характеристику организма. Ген содержит открытую рамку считывания, которая транскрибируется, а также регуляторные последовательности (англ.)русск., например, промотор и энхансер, которые контролируют экспрессию открытых рамок считывания.

У многих видов только малая часть общей последовательности генома кодирует белки. Так, только около 1,5% генома человека состоит из кодирующих белок экзонов, а больше 50% ДНК человека состоит из некодирующих повторяющихся последовательностей ДНК^[42]. Причины наличия такого большого количества некодирующей ДНК в эукариотических геномах и огромная разница в размерах геномов (С-значение) — одна из неразрешённых научных загадок^[43]; исследования в этой области также указывают на большое количество фрагментов реликтовых вирусов в этой части ДНК.

Последовательности генома, не кодирующие белок

Основная статья: Некодирующая ДНК

В настоящее время накапливается всё больше данных, противоречащих идее о некодирующих последовательностях как «мусорной ДНК» (англ. junk DNA). Теломеры и центромеры содержат малое число генов, но они важны для функционирования и стабильности хромосом^[36][44]. Часто встречающаяся форма некодирующих последовательностей человека — псевдогены, копии генов, инактивированные в результате мутаций^[45]. Эти последовательности нечто вроде молекулярных ископаемых, хотя иногда они могут служить исходным материалом для дупликации и последующей дивергенции генов^[46]. Другой источник разнообразия белков в организме — это использование интронов в качестве «линий разреза и склеивания» в альтернативном сплайсинге^[47]. Наконец, некодирующие белок последовательности могут кодировать вспомогательные клеточные РНК, например, мяРНК^[48]. Недавнее исследование транскрипции генома человека показало, что 10% генома даёт начало полиаденилированным РНК^[49], а исследование и генома мыши показало, что 62% его транскрибируется^[50].

Транскрипция и трансляция

Основные статьи: Генетический код, Транскрипция (биология), Трансляция (биология)

Генетическая информация, закодированная в ДНК, должна быть прочитана и в конечном итоге выражена в синтезе различных биополимеров, из которых состоят клетки. Последовательность оснований в цепочке ДНК напрямую определяет последовательность оснований в РНК, на которую она «переписывается» в процессе, называемом транскрипцией. В случае мРНК эта последовательность определяет аминокислоты белка. Соотношение между нуклеотидной последовательностью мРНК и аминокислотной последовательностью определяется правилами трансляции, которые называются генетическим кодом. Генетический код состоит из трёхбуквенных «слов», называемых кодонами, состоящих из трёх нуклеотидов (то есть ACT CAG TTT и т. п.). Во время транскрипции нуклеотиды гена копируются на синтезируемую РНК РНК-полимеразой. Эта копия в случае мРНК декодируется рибосомой, которая «читает» последовательность мРНК, осуществляя спаривание матричной РНК с транспортными РНК, которые присоединены к аминокислотам. Поскольку в трёхбуквенных комбинациях используются 4 основания, всего возможны 64 кодона (4³ комбинации). Кодоны кодируют 20 стандартных аминокислот, каждой из которых соответствует в большинстве случаев более одного кодона. Один из трёх кодонов, которые располагаются в конце мРНК, не означает аминокислоту и определяет конец белка, это «стоп» или «нонсенс» кодоны — TAA, TGA, TAG.

Репликация

Основная статья: Репликация ДНК

Деление клеток необходимо для размножения одноклеточного и роста многоклеточного организма, но до деления клетка должна удвоить геном, чтобы дочерние клетки содержали ту же генетическую информацию, что и исходная клетка. Из нескольких теоретически возможных механизмов удвоения (репликации) ДНК реализуется полуконсервативный. Две цепочки разделяются, а затем каждая недостающая комплементарная последовательность ДНК воспроизводится ферментом ДНК-полимеразой. Этот фермент строит полинуклеотидную цепь, находя правильное основание через комплементарное спаривание оснований и присоединяя его к растущей цепочке. ДНК-полимераза не может начинать новую цепь, а только лишь наращивать уже существующую, поэтому она нуждается в короткой цепочке нуклеотидов (праймере), синтезируемой праймазой. Так как ДНК-полимеразы могут строить цепочку только в направлении 5' --> 3', для копирования антипараллельных цепей используются разные механизмы^[51].

Взаимодействие с белками

Взаимодействие фактора транскрипции STAT3 с ДНК (показана в виде синей спирали)

Все функции ДНК зависят от её взаимодействия с белками. Взаимодействия могут быть неспецифическими, когда белок присоединяется к любой молекуле ДНК, или зависеть от наличия особой последовательности. Ферменты также могут взаимодействовать с ДНК, из них наиболее важные — это РНК-полимеразы, которые копируют последовательность оснований ДНК на РНК в транскрипции или при синтезе новой цепи ДНК — репликации.

Структурные и регуляторные белки

Хорошо изученными примерами взаимодействия белков и ДНК, не зависящего от нуклеотидной последовательности ДНК, является взаимодействие со структурными белками. В клетке ДНК связана с этими белками, образуя компактную структуру, которая называется хроматин. У прокариот хроматин образован при присоединении к ДНК небольших щелочных белков — гистонов, менее упорядоченный хроматин прокариот содержит гистон-подобные белки^[52][53]. Гистоны формируют дискообразную белковую структуру — нуклеосому, вокруг каждой из которых вмещается два оборота спирали ДНК. Неспецифические связи между гистонами и ДНК образуются за счёт ионных связей щелочных аминокислот гистонов и кислотных остатков сахарофосфатного остова ДНК^[54]. Химические модификации этих аминокислот включают метилирование, фосфорилирование и ацетилирование^[55]. Эти химические модификации изменяют силу взаимодействия между ДНК и гистонами, влияя на доступность специфических последовательностей для факторов транскрипции и изменяя скорость транскрипции^[56]. Другие белки в составе хроматина, которые присоединяются к неспецифическим последовательностям — белки с высокой подвижностью в гелях, которые ассоциируют большей частью с согнутой ДНК^[57]. Эти белки важны для образования в хроматине структур более высокого порядка^[58]. Особая группа белков, присоединяющихся к ДНК, — это белки, которые ассоциируют с одноцепочечной ДНК. Наиболее хорошо охарактеризованный белок этой группы у человека — репликационный белок А, без которого невозможно протекание большинства процессов, где расплетается двойная спираль, включая репликацию, рекомбинацию и репарацию. Белки этой группы стабилизируют одноцепочечную ДНК и предотвращают формирование стеблей-петель или деградации нуклеазами^[59].

В то же время другие белки узнают и присоединяются к специфическим последовательностям. Наиболее изученная группа таких белков — различные классы факторов транскрипции, то есть белки, регулирующие транскрипцию. Каждый из этих белков узнаёт свою последовательность, часто в промоторе, и активирует или подавляет транскрипцию гена. Это происходит при ассоциации факторов транскрипции с РНК-полимеразой либо напрямую, либо через белки-посредники. Полимераза ассоциирует сначала с белками, а потом начинает транскрипцию^[60]. В других случаях факторы транскрипции могут присоединяться к ферментам, которые модифицируют находящиеся на промоторах гистоны, что изменяет доступность ДНК для полимераз^[61].

Так как специфические последовательности встречаются во многих местах генома, изменения в активности одного типа фактора транскрипции могут изменить активность тысяч генов^[62]. Соответственно, эти белки часто регулируются в процессах ответа на изменения в окружающей среде, развития организма и дифференцировки клеток. Специфичность взаимодействия факторов транскрипции с ДНК обеспечивается многочисленными контактами между аминокислотами и основаниями ДНК, что позволяет им «читать» последовательность ДНК. Большинство контактов с основаниями происходит в главной бороздке, где основания более доступны^[14].

Ферменты, модифицирующие ДНК

Топоизомеразы и хеликазы

Основные статьи: Топоизомеразы, Хеликазы

В клетке ДНК находится в компактном, т. н. суперскрученном состоянии, иначе она не смогла бы в ней уместиться. Для протекания жизненно важных процессов ДНК должна быть раскручена, что производится двумя группами белков — топоизомеразами и хеликазами.

Топоизомеразы — ферменты, которые имеют и нуклеазную и лигазную активности. Эти белки изменяют степень суперскрученности в ДНК. Некоторые из этих ферментов разрезают спираль ДНК и позволяют вращаться одной из цепей, тем самым уменьшая уровень суперскрученности, после чего фермент заделывает разрыв^[32]. Другие ферменты могут разрезать одну из цепей и проводить вторую цепь через разрыв, а потом лигировать разрыв в первой цепи^[63]. Топоизомеразы необходимы во многих процессах, связанных с ДНК, таких как репликация и транскрипция^[33].

Хеликазы — белки, которые являются одним из молекулярных моторов. Они используют химическую энергию нуклеотидтрифосфатов, чаще всего АТФ, для разрыва водородных связей между основаниями, раскручивая двойную спираль на отдельные цепочки^[64]. Эти ферменты важны для большинства процессов, где белкам необходим доступ к основаниям ДНК.

Нуклеазы и лигазы

Основные статьи: Нуклеаза, Лигаза

В различных процессах, происходящих в клетке, например, рекомбинации и репарации, участвуют ферменты, способные разрезать и восстанавливать целостность нитей ДНК. Ферменты, разрезающие ДНК, носят название нуклеаз. Нуклеазы, которые гидролизуют нуклеотиды на концах молекулы ДНК, называются экзонуклеазами, а эндонуклеазы разрезают ДНК внутри цепи. Наиболее часто используемые в молекулярной биологии и генетической инженериинуклеазы — это рестриктазы, которые разрезают ДНК около специфических последовательностей. Например, фермент EcoRV (рестрикционный фермент № 5 из E. coli) узнаёт шестинуклеотидную последовательность 5'-GAT|ATC-3' и разрезает ДНК в месте, указанном вертикальной линией. В природе эти ферменты защищают бактерии от заражения бактериофагами, разрезая ДНК фага, когда она вводится в бактериальную клетку. В этом случае нуклеазы — частьсистемы модификации-рестрикции^[65]. ДНК-лигазы сшивают сахарофосфатные основания в молекуле ДНК, используя энергию АТФ. Рестрикционные нуклеазы и лигазы используются в клонировании и фингерпринтинге(англ. Fingerprinting).

Полимеразы

Основная статья: ДНК-полимераза

Существует также важная для метаболизма ДНК группа ферментов, которые синтезируют цепи полинуклеотидов из нуклеозидтрифосфатов — ДНК-полимеразы. Они добавляют нуклеотиды к 3'-гидроксильной группе предыдущего нуклеотида в цепи ДНК, поэтому все полимеразы работают в направлении 5'--> 3'^[66]. В активном центре этих ферментов субстрат — нуклеозидтрифосфат — спаривается с комплементарным основанием в составе одноцепочечной полинуклеотидной цепочки — матрицы.

В процессе репликации ДНК ДНК-зависимая ДНК-полимераза синтезирует копию исходной последовательности ДНК. Точность очень важна в этом процессе, так как ошибки в полимеризации приведут к мутациям, поэтому многие полимеразы обладают способностью к «редактированию» — исправлению ошибок. Полимераза узнаёт ошибки в синтезе по отсутствию спаривания между неправильными нуклеотидами. После определения отсутствия спаривания активируется 3'--> 5' экзонуклеазная активность полимеразы, и неправильное основание удаляется^[67]. В большинстве организмов ДНК-полимеразы работают в виде большого комплекса, называемого реплисомой, которая содержит многочисленные дополнительные субъединицы, например, хеликазы^[68].

РНК-зависимые ДНК-полимеразы — специализированный тип полимераз, которые копируют последовательность РНК на ДНК. К этому типу относится вирусный фермент обратная транскриптаза, который используется ретровирусами при инфекции клеток, а также теломераза, необходимая для репликации теломер^[69]. Теломераза — необычный фермент, потому что она содержит собственную матричную РНК^[36].

Транскрипция осуществляется ДНК-зависимой РНК-полимеразой, которая копирует последовательность ДНК одной цепочки на мРНК. В начале транскрипции гена РНК-полимераза присоединяется к последовательности в начале гена, называемой промотором, и расплетает спираль ДНК. Потом она копирует последовательность гена на матричную РНК до тех пор, пока не дойдёт до участка ДНК в конце гена — терминатора, где она останавливается и отсоединяется от ДНК. Также как ДНК-зависимая ДНК-полимераза человека, РНК-полимераза II, которая транскрибирует большую часть генов в геноме человека, работает в составе большого белкового комплекса, содержащего регуляторные и дополнительные единицы^[70].

ДНК-лигаза I (кольцеобразная структура, состоящая из нескольких одинаковых молекул белка, показанных разными цветами), лигирующая повреждённую цепь ДНK

Эволюция метаболизма, основанного на ДНК

ДНК содержит генетическую информацию, которая делает возможной жизнедеятельность, рост, развитие и размножение всех современных организмов. Однако как долго в течение четырёх миллиардов лет истории жизни на Земле ДНК была главным носителем генетической информации, неизвестно. Существуют гипотезы, что РНК играла центральную роль в обмене веществ, поскольку она может и переносить генетическую информацию, и осуществлять катализ с помощью рибозимов^[75][76][77]. Кроме того, РНК — один из основных компонентов «фабрик белка» — рибосом. Древний РНК-мир, где нуклеиновая кислота была использована и для катализа, и для переноса информации, мог послужить источником современного генетического кода, состоящего из четырёх оснований. Это могло произойти в результате того, что число оснований в организме было компромиссом между небольшим числом оснований, увеличивавшим точность репликации, и большим числом оснований, увеличивающим каталитическую активность рибозимов^[78].

К сожалению, древние генетические системы не дошли до наших дней. ДНК в окружающей среде в среднем сохраняется в течение 1 миллиона лет, а потом деградирует до коротких фрагментов. Извлечение ДНК и определение последовательности их 16S рРНК генов из бактериальных спор, заключённых в кристаллах соли 250 млн лет назад,^[79] служит темой оживлённой дискуссии в научной среде.^[80][81]

См. также

• Использование ДНК в технологии
• Вектор (биология)
• Генетическая генеалогия
• Действие излучений на структуру и функции ДНК
• Метилирование ДНК
• Мобильные элементы генома
• Мутация
• Нуклеопротеиды
• РНК
• Футпринтинг ДНК
• Центральная догма молекулярной биологии
• Спиртовая преципитация
• Цис-элемент
• Анализ ДНК

• Примечания

  
  

  1. ↑ Dahm R (2005). «Friedrich Miescher and the discovery of DNA». Dev Biol 278 (2): 274–88. PMID 15680349.
  2. ↑ Hershey A, Chase M (1952). «Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage». J Gen Physiol 36 (1): 39–56. PMID 12981234.
  3. ↑ ^1 2 Watson J, Crick F (1953). «Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid». Nature 171(4356): 737 – 8. PMID 13054692.
  4. ↑ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962 Nobelprize .org Accessed 22 Dec 06
  5. ↑ Alberts Bruce Molecular Biology of the Cell; Fourth Edition. — New York and London: Garland Science. — ISBN ISBN 0-8153-3218-1
  6. ↑ Butler, John M. (2001) Forensic DNA Typing «Elsevier». pp. 14 — 15. ISBN 978-0-12-147951-0
  7. ↑ ^1 2 Berg J., Tymoczko J. and Stryer L. (2002) Biochemistry. W. H. Freeman and Company ISBN 0-7167-4955-6
  8. ↑ Abbreviations and Symbols for Nucleic Acids, Polynucleotides and their Constituents IUPAC-IUB Commission on Biochemical Nomenclature (CBN) Accessed 03 Jan 2006
  9. ↑ Takahashi I, Marmur J. (1963). «Replacement of thymidylic acid by deoxyuridylic acid in the deoxyribonucleic acid of a transducing phage for Bacillus subtilis». Nature 197: 794 – 5. PMID 13980287.
  10. ↑ Agris P (2004). «Decoding the genome: a modified view». Nucleic Acids Res 32 (1): 223 – 38. PMID 14715921.
  11. ↑ Ghosh A, Bansal M (2003). «A glossary of DNA structures from A to Z». Acta Crystallogr D Biol Crystallogr 59 (Pt 4): 620 – 6. PMID 12657780.
  12. ↑ Mandelkern M, Elias J, Eden D, Crothers D (1981). «The dimensions of DNA in solution». J Mol Biol 152 (1): 153 – 61.PMID 7338906.
  13. ↑ Wing R, Drew H, Takano T, Broka C, Tanaka S, Itakura K, Dickerson R (1980). «Crystal structure analysis of a complete turn of B-DNA». Nature 287 (5784): 755 – 8. PMID 7432492.
  14. ↑ ^1 2 Pabo C, Sauer R. «Protein-DNA recognition». Annu Rev Biochem 53: 293 – 321. PMID 6236744.
  15. ↑ Ponnuswamy P, Gromiha M (1994). «On the conformational stability of oligonucleotide duplexes and tRNA molecules». J Theor Biol 169 (4): 419–32. PMID 7526075.
  16. ↑ Clausen-Schaumann H, Rief M, Tolksdorf C, Gaub H (2000). «Mechanical stability of single DNA molecules». Biophys J78 (4): 1997–2007. PMID 10733978.
  17. ↑ Chalikian T, Völker J, Plum G, Breslauer K (1999). «A more unified picture for the thermodynamics of nucleic acid duplex melting: a characterization by calorimetric and volumetric techniques». Proc Natl Acad Sci U S A 96 (14): 7853–8. PMID 10393911.
  18. ↑ Created from PDB 1JDG
  19. ↑ Klose R, Bird A (2006). «Genomic DNA methylation: the mark and its mediators». Trends Biochem Sci 31 (2): 89 – 97.PMID 16403636.
  20. ↑ Bird A (2002). «DNA methylation patterns and epigenetic memory». Genes Dev 16 (1): 6 – 21. PMID 11782440.
  21. ↑ Walsh C, Xu G. «Cytosine methylation and DNA repair». Curr Top Microbiol Immunol 301: 283 – 315. PMID 16570853.
  22. ↑ Gommers-Ampt J, Van Leeuwen F, de Beer A, Vliegenthart J, Dizdaroglu M, Kowalak J, Crain P, Borst P (1993). «beta-D-glucosyl-hydroxymethyluracil: a novel modified base present in the DNA of the parasitic protozoan T. brucei». Cell 75 (6): 1129 – 36. PMID 8261512.
  23. ↑ Douki T, Reynaud-Angelin A, Cadet J, Sage E (2003). «Bipyrimidine photoproducts rather than oxidative lesions are the main type of DNA damage involved in the genotoxic effect of solar UVA radiation». Biochemistry 42 (30): 9221 – 6. PMID 12885257.
  24. ↑ Cadet J, Delatour T, Douki T, Gasparutto D, Pouget J, Ravanat J, Sauvaigo S (1999). «Hydroxyl radicals and DNA base damage». Mutat Res 424 (1 – 2): 9 – 21. PMID 10064846.
  25. ↑ Shigenaga M, Gimeno C, Ames B (1989). «Urinary 8-hydroxy-2′-deoxyguanosine as a biological marker of in vivo oxidative DNA damage». Proc Natl Acad Sci U S A 86 (24): 9697 – 701. PMID 2602371.
  26. ↑ Cathcart R, Schwiers E, Saul R, Ames B (1984). «Thymine glycol and thymidine glycol in human and rat urine: a possible assay for oxidative DNA damage». Proc Natl Acad Sci U S A 81 (18): 5633 – 7. PMID 6592579.
  27. ↑ Ferguson L, Denny W (1991). «The genetic toxicology of acridines». Mutat Res 258 (2): 123 – 60. PMID 1881402.
  28. ↑ Jeffrey A (1985). «DNA modification by chemical carcinogens». Pharmacol Ther 28 (2): 237 – 72. PMID 3936066.
  29. ↑ Stephens T, Bunde C, Fillmore B (2000). «Mechanism of action in thalidomide teratogenesis». Biochem Pharmacol 59(12): 1489 – 99. PMID 10799645.
  30. ↑ Braña M, Cacho M, Gradillas A, de Pascual-Teresa B, Ramos A (2001). «Intercalators as anticancer drugs». Curr Pharm Des 7 (17): 1745 – 80. PMID 11562309.
  31. ↑ Benham C, Mielke S (2005). «DNA mechanics». Annu Rev Biomed Eng 7: 21–53. PMID 16004565.
  32. ↑ ^1 2 Champoux J (2001). «DNA topoisomerases: structure, function, and mechanism». Annu Rev Biochem 70: 369–413.PMID 11395412.
  33. ↑ ^1 2 Wang J (2002). «Cellular roles of DNA topoisomerases: a molecular perspective». Nat Rev Mol Cell Biol 3 (6): 430–40.PMID 12042765.
  34. ↑ Created from NDB UD0017
  35. ↑ Greider C, Blackburn E (1985). «Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts».Cell 43 (2 Pt 1): 405–13. PMID 3907856.
  36. ↑ ^1 2 3 Nugent C, Lundblad V (1998). «The telomerase reverse transcriptase: components and regulation». Genes Dev 12(8): 1073–85. PMID 9553037.
  37. ↑ Wright W, Tesmer V, Huffman K, Levene S, Shay J (1997). «Normal human chromosomes have long G-rich telomeric overhangs at one end». Genes Dev 11 (21): 2801–9. PMID 9353250.
  38. ↑ ^1 2 Burge S, Parkinson G, Hazel P, Todd A, Neidle S (2006). «Quadruplex DNA: sequence, topology and structure».Nucleic Acids Res 34 (19): 5402–15. PMID 17012276.
  39. ↑ Griffith J, Comeau L, Rosenfield S, Stansel R, Bianchi A, Moss H, de Lange T (1999). «Mammalian telomeres end in a large duplex loop». Cell 97 (4): 503–14. PMID 10338214.
  40. ↑ Teif V.B. and Bohinc K. (2010). «Condensed DNA: condensing the concepts». Progress in Biophysics and Molecular Biology. DOI:10.1016/j.pbiomolbio.2010.07.002.
  41. ↑ Thanbichler M, Wang S, Shapiro L (2005). «The bacterial nucleoid: a highly organized and dynamic structure». J Cell Biochem 96 (3): 506 – 21. PMID 15988757.
  42. ↑ Wolfsberg T, McEntyre J, Schuler G (2001). «Guide to the draft human genome». Nature 409 (6822): 824 – 6. PMID 11236998.
  43. ↑ Gregory T (2005). «The C-value enigma in plants and animals: a review of parallels and an appeal for partnership». Ann Bot (Lond) 95 (1): 133 – 46. PMID 15596463.
  44. ↑ Pidoux A, Allshire R (2005). «The role of heterochromatin in centromere function». Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci360 (1455): 569 – 79. PMID 15905142.
  45. ↑ Harrison P, Hegyi H, Balasubramanian S, Luscombe N, Bertone P, Echols N, Johnson T, Gerstein M (2002). «Molecular fossils in the human genome: identification and analysis of the pseudogenes in chromosomes 21 and 22». Genome Res12 (2): 272 – 80. PMID 11827946.
  46. ↑ Harrison P, Gerstein M (2002). «Studying genomes through the aeons: protein families, pseudogenes and proteome evolution». J Mol Biol 318 (5): 1155 – 74. PMID 12083509.
  47. ↑ Soller M (2006). «Molecular fossils in the human genome: identification and analysis of the pseudogenes in chromosomes 21 and 22». Cell Mol Life Sci 63 (7-9): 796 – 819. PMID 16465448.
  48. ↑ Michalak P. (2006). «RNA world - the dark matter of evolutionary genomics» 19 (6): 1768 – 74. PMID 17040373.
  49. ↑ Cheng J, Kapranov P, Drenkow J, Dike S, Brubaker S et al. (2005). «RNA world - the dark matter of evolutionary genomics» 308: 1149 – 54. PMID 15790807.
  50. ↑ Mattick JS (2004). «RNA regulation: a new genetics?». Nat Rev Genet 5: 316–323. PMID 15131654.
  51. ↑ Albà M (2001). «Replicative DNA polymerases». Genome Biol 2 (1): REVIEWS3002. PMID 11178285.
  52. ↑ Sandman K, Pereira S, Reeve J (1998). «Diversity of prokaryotic chromosomal proteins and the origin of the nucleosome».Cell Mol Life Sci 54 (12): 1350 – 64. PMID 9893710.
  53. ↑ Dame RT (2005). «The role of nucleoid-associated proteins in the organization and compaction of bacterial chromatin».Mol. Microbiol. 56 (4): 858–70. PMID 15853876.
  54. ↑ Luger K, Mäder A, Richmond R, Sargent D, Richmond T (1997). «Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution». Nature 389 (6648): 251 – 60. PMID 9305837.
  55. ↑ Jenuwein T, Allis C (2001). «Translating the histone code». Science 293 (5532): 1074 – 80. PMID 11498575.
  56. ↑ Ito T. «Nucleosome assembly and remodelling». Curr Top Microbiol Immunol 274: 1 – 22. PMID 12596902.
  57. ↑ Thomas J (2001). «HMG1 and 2: architectural DNA-binding proteins». Biochem Soc Trans 29 (Pt 4): 395 – 401. PMID 11497996.
  58. ↑ Grosschedl R, Giese K, Pagel J (1994). «HMG domain proteins: architectural elements in the assembly of nucleoprotein structures». Trends Genet 10 (3): 94–100. PMID 8178371.
  59. ↑ Iftode C, Daniely Y, Borowiec J (1999). «Replication protein A (RPA): the eukaryotic SSB». Crit Rev Biochem Mol Biol 34 (3): 141 – 80. PMID 10473346.
  60. ↑ Myers L, Kornberg R. «Mediator of transcriptional regulation». Annu Rev Biochem 69: 729 – 49. PMID 10966474.
  61. ↑ Spiegelman B, Heinrich R (2004). «Biological control through regulated transcriptional coactivators». Cell 119 (2): 157–67.PMID 15479634.
  62. ↑ Li Z, Van Calcar S, Qu C, Cavenee W, Zhang M, Ren B (2003). «A global transcriptional regulatory role for c-Myc in Burkitt's lymphoma cells». Proc Natl Acad Sci U S A 100 (14): 8164 – 9. PMID 12808131.
  63. ↑ Schoeffler A, Berger J (2005). «Recent advances in understanding structure-function relationships in the type II topoisomerase mechanism». Biochem Soc Trans 33 (Pt 6): 1465 – 70. PMID 16246147.
  64. ↑ Tuteja N, Tuteja R (2004). «Unraveling DNA helicases. Motif, structure, mechanism and function». Eur J Biochem 271(10): 1849–63. PMID 15128295.
  65. ↑ Bickle T, Krüger D (1993). «Biology of DNA restriction». Microbiol Rev 57 (2): 434 – 50. PMID 8336674.
  66. ↑ Joyce C, Steitz T (1995). «Polymerase structures and function: variations on a theme?». J Bacteriol 177 (22): 6321 – 9.PMID 7592405.
  67. ↑ Hubscher U, Maga G, Spadari S. «Eukaryotic DNA polymerases». Annu Rev Biochem 71: 133 – 63. PMID 12045093.
  68. ↑ Johnson A, O'Donnell M. «Cellular DNA replicases: components and dynamics at the replication fork». Annu Rev Biochem74: 283 – 315. PMID 15952889.
  69. ↑ Tarrago-Litvak L, Andréola M, Nevinsky G, Sarih-Cottin L, Litvak S (1994). «The reverse transcriptase of HIV-1: from enzymology to therapeutic intervention». FASEB J 8 (8): 497–503. PMID 7514143.
  70. ↑ Martinez E (2002). «Multi-protein complexes in eukaryotic gene transcription». Plant Mol Biol 50 (6): 925 – 47. PMID 12516863.
  71. ↑ Cremer T, Cremer C (2001). «Chromosome territories, nuclear architecture and gene regulation in mammalian cells». Nat Rev Genet 2 (4): 292–301. PMID 11283701.
  72. ↑ Pál C, Papp B, Lercher M (2006). «An integrated view of protein evolution». Nat Rev Genet 7 (5): 337 – 48. PMID 16619049.
  73. ↑ O'Driscoll M, Jeggo P (2006). «The role of double-strand break repair - insights from human genetics». Nat Rev Genet 7(1): 45 – 54. PMID 16369571.
  74. ↑ Dickman M, Ingleston S, Sedelnikova S, Rafferty J, Lloyd R, Grasby J, Hornby D (2002). «The RuvABC resolvasome». Eur J Biochem 269 (22): 5492 – 501. PMID 12423347.
  75. ↑ Joyce G (2002). «The antiquity of RNA-based evolution». Nature 418 (6894): 214 – 21. PMID 12110897.
  76. ↑ Orgel L. «Prebiotic chem
  77. istry and the origin of the RNA world». Crit Rev Biochem Mol Biol 39 (2): 99 – 123. PMID 15217990.
  78. ↑ Davenport R (2001). «Ribozymes. Making copies in the RNA world». Science 292 (5520): 1278. PMID 11360970.
  79. ↑ Szathmáry E (1992). «What is the optimum size for the genetic alphabet?». Proc Natl Acad Sci U S A 89 (7): 2614 – 8.PMID 1372984.
  80. ↑ Vreeland R, Rosenzweig W, Powers D (2000). «Isolation of a 250 million-year-old halotolerant bacterium from a primary salt crystal». Nature 407 (6806): 897 – 900. PMID 11057666.
  81. ↑ Hebsgaard M, Phillips M, Willerslev E (2005). «Geologically ancient DNA: fact or artefact?». Trends Microbiol 13 (5): 212 – 20. PMID 15866038.
  82. ↑ Nickle D, Learn G, Rain M, Mullins J, Mittler J (2002). «Curiously modern DNA for a "250 million-year-old" bacterium». J Mol Evol 54 (1): 134 – 7. PMID 11734907.

  83. Литература

      
      

      • Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки в 3-х томах. — М.: Мир, 1994. — 1558 с. — ISBN 5-03-001986-3.
      • Докинз Р. Эгоистичный ген. — М.: Мир.
      • История биологии с начала XX века до наших дней. — М.: Наука, 1975. — 660 с.
      • Льюин Б. Гены. — М.: Мир, 1987. — 1064 с.
      • Пташне М. Переключение генов. Регуляция генной активности и фаг лямбда. — М.: Мир, 1989. — 160 с. Все форумы > Книга «переключение генов» М. Пташне
      • Уотсон Дж. Д. Двойная спираль: воспоминания об открытии структуры ДНК. — М.: Мир, 1969. — 152 с.

      • Ссылки

        
        

        • Методы выделения и исследования ДНК
        • Веб-адреса молекулярно-биологических журналов
        • Международная база данных — последовательности ДНК из разных организмов  (англ.).
        • Веб-сайт Сэнгеровского Института одного из мировых лидеров в области определения последовательностей ДНК и их анализа  (англ.)
        • Software for forensic DNA Typing — eQMS::DNA