Deoksiribonukleinska kislina: Razlika med redakcijama

Nukleinske kisline je prvi izoliral [[Friedrich Miescher]] leta 1869<ref>{{cite journal |authorauthor1=Mashaghi A,|author2= Katan A |title=A physicist's view of DNA |journal=De Physicus|volume=24e |issue=3 |pages=59–61 |year=2013 | arxiv= 1311.2545v1 |bibcode=2013arXiv1311.2545M }}</ref> in jih tako poimenoval zato, ker jih je našel v jedru [[levkocit]]ov. Prisotnost nukleinskih kislin v ostalih celicah so dokazali v naslednjih nekaj letih, vendar je do odkritja njihove biološke vloge minilo še približno 75 let. V 1930. in 1940. letih je še vladalo trdno prepričanje, da so nosilci genetske informacije beljakovine, za katere so menili, da so edine dovolj zapletene biomolekule, da so sposobne opravljati to funkcijo. Nasprotno je DNK v tistem času veljala za precej dolgočasno in nepomembno molekulo, ki jo sestavlja monotono zaporedje štirih različnih nukleotidov, zaradi česar si ni bilo mogoče predstavljati, da bi lahko bila nosilka genetske informacije. Vendar se je v naslednjih desetletjih na veliko presenečenje večine izkazalo, da je resnica ravno nasprotna.

Enega prvih eksperimentov, ki so utrli pot k razkritju prave narave DNK, je že leta 1928 izvedel [[Frederick Griffith]], ki je odkril t. i. transformirajoči princip. V svojem eksperimentu je Griffith okužil [[hišna miš|miši]] z dvema tipoma bakterije ''[[Diplococcus pneumoniae]]'' (R in S), ki povzroča [[pljučnica|pljučnico]].<ref>{{cite journal | author = Griffith F | title = The significance of pneumococcal types | journal = The Journal of Hygiene (London) | volume = 27 | issue = 2 | pages = 113–59 | date = January 1928 | pmid = 20474956 | pmc = 2167760 | doi = 10.1017/S0022172400031879 }}</ref><ref>{{cite journal | authorauthor1 = Lorenz MG,|author2= Wackernagel W | title = Bacterial gene transfer by natural genetic transformation in the environment | journal = Microbiol. Rev. | volume = 58 | issue = 3 | pages = 563–602 | year = 1994 | pmid = 7968924 | pmc = 372978 }}</ref> Pripravil je mešanico živih (R-; nesposobnih povzročiti bolezen) in mrtvih (S-; [[patogen]]ih) bakterij ''D. pneumoniae'' in jih vbrizgal v miši, kar je proti pričakovanju povzročilo smrt večine miši. Še presenetljiveje pa je bilo, da je kri mrtvih miši vsebovala žive bakterije S. Mrtve bakterije S so torej nekako transformirale sicer nepatogene bakterije R v [[virulenca|virulentno]] obliko S. Leta 1944 so [[Oswald Avery]], [[Colin MacLeod]] in [[Maclyn McCarty]] po desetletnih raziskavah sklenili, da je za transformirajoči princip odgovorna molekula DNK, ki je torej tudi nosilka genetske informacije.<ref>{{cite journal | authorauthor1 = Avery OT,|author2= Macleod CM,|author3= McCarty M | title = Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type Iii | journal = J Exp Med | volume = 79 | issue = 2 | pages = 137–158 | year = 1944 | pmid = 19871359 | pmc = 2135445 | doi = 10.1084/jem.79.2.137 }}</ref> To odkritje je bilo tedaj skoraj popolnoma prezrto in do uveljavitve takega razumevanja v znanstveni skupnosti je minilo še skoraj desetletje. Leta 1952 sta [[Alfred Hershey]] in [[Martha Chase]] izvedla eleganten eksperiment z [[bakteriofag]]i, ki je zelo prepričljivo dokazal, da je za transformirajoči princip zares odgovorna DNK.<ref>{{cite journal | authorauthor1 = Hershey AD,|author2= Chase M | title = Independent Functions of Viral Protein and Nucleic Acid in Growth of Bacteriophage | journal = J Gen Physiol | volume = 36 | issue = 1 | pages = 39–56 | year = 1952 | pmid = 12981234 | pmc = 2147348 | doi = 10.1085/jgp.36.1.39 }}</ref>

Polmer dvojne vijačnice znaša 1 [[Nanometer|nm]] (ali 10 [[angstrem| A]]), dolžina vijačnice pa je pogojena s številom nukleotidov, pri čemer je dolžina nukleotida 0,33 nm. En obrat vijačnice je dolg 3,4 nm.<ref>{{cite journal | authorauthor1 = Watson JD,|author2= Crick FH | title = A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid | journal = Nature | volume = 171 | issue = 4356 | pages = 737–738 | year = 1953 | pmid = 13054692 | doi = 10.1038/171737a0 | url = http://www.nature.com/nature/dna50/watsoncrick.pdf | format = PDF | bibcode = 1953Natur.171..737W }}</ref> Najdaljši človeški [[kromosom]] gradi približno 220 milijonov nukleotidov,<ref>{{cite journal | authorauthor1 = Gregory SG,|author2= Barlow KF,|author3= McLay KE,|author4= Kaul R,|author5= Swarbreck D,|author6= Dunham A | title = The DNA sequence and biological annotation of human chromosome 1 | journal = Nature | volume = 441 | issue = 7091 | pages = 315–21 | year = 2006 | pmid = 16710414 | doi = 10.1038/nature04727 | bibcode = 2006Natur.441..315G |display-authors=etal}}</ref> iztegnjena dvojna vijačnica bi bila tako dolga 73 mm.

Poleg ogrodja iz deoksiriboze in fosfatne skupine sta na dvojni vijačnici opazna tudi mali in veliki žleb. V žlebovih so bolj izpostavljene organske baze, zato se tam nanje lahko vežejo [[encim]]i, ki prepoznajo točno določena zaporedja baz. Veliki žleb je širok 2,2 nm, mali žleb pa 1,2 nm.<ref>{{cite journal | authorauthor1 = Wing R,|author2= Drew H,|author3= Takano T,|author4= Broka C,|author5= Tanaka S,|author6= Itakura K,|author7= Dickerson RE | title = Crystal structure analysis of a complete turn of B-DNA | journal = Nature | volume = 287 | issue = 5784 | pages = 755–8 | year = 1980 | pmid = 7432492 | doi = 10.1038/287755a0 | bibcode = 1980Natur.287..755W }}</ref> Omenjene dimenzije veljajo za obliko B. DNK obstaja v več različnih oblikah ali konformacijah: A, B in Z. Oblika je odvisna od stopnje hidratacije, nukleotidnega zaporedja, stopnje dodatnega zvijanja, modifikacije organskih baz, koncentracije določenih kovinskih [[ion]]ov in poliaminov.<ref>{{cite journal | authorauthor1 = Basu HS,|author2= Feuerstein BG,|author3= Zarling DA,|author4= Shafer RH,|author5= Marton LJ | title = Recognition of Z-RNA and Z-DNA determinants by polyamines in solution: experimental and theoretical studies | journal = J Biomol Struct Dyn | volume = 6 | issue = 2 | pages = 299–309 | year = 1988 | pmid = 2482766 | doi = 10.1080/07391102.1988.10507714 }}</ref> Obliki A in B sta desnosučni, Z pa je levosučna, torej je zvita v nasprotni smeri. A-DNK je v primerjavi z B-DNK širša, mali žleb je širši in plitvejši, veliki žleb pa ožji in globlji. Oblika A nastane v nefizioloških razmerah, ko je DNK delno dehidrirana, v celici pa lahko nastane pri hibridizaciji DNK in RNK in v DNK-encimskih kompleksih.<ref>{{cite journal | authorauthor1 = Wahl MC,|author2= Sundaralingam M | title = Crystal structures of A-DNA duplexes | journal = Biopolymers | volume = 44 | issue = 1 | pages = 45–63 | year = 1997 | pmid = 9097733 | doi = 10.1002/(SICI)1097-0282(1997)44:1<45::AID-BIP4>3.0.CO;2-# }}</ref><ref>{{cite journal | authorauthor1 = Lu XJ,|author2= Shakked Z,|author3= Olson WK | title = A-form conformational motifs in ligand-bound DNA structures | journal = J. Mol. Biol. | volume = 300 | issue = 4 | pages = 819–40 | year = 2000 | pmid = 10891271 | doi = 10.1006/jmbi.2000.3690 }}</ref> Odseki DNK, ki so kemijsko spremenjeni z metilacijo, lahko zavzamejo obliko Z.<ref>{{cite journal | authorauthor1 = Rothenburg S,|author2= Koch-Nolte F,|author3= Haag F | title = DNA methylation and Z-DNA formation as mediators of quantitative differences in the expression of alleles | journal = Immunol Rev | volume = 184 | pages = 286–98 | year = 2001 | pmid = 12086319 | doi = 10.1034/j.1600-065x.2001.1840125.x }}</ref> Različne oblike DNK prepoznajo specifični encimi, ki vplivajo na [[gensko prepisovanje]], torej na izražanje genov.<ref>{{cite journal | authorauthor1 = Oh DB,|author2= Kim YG,|author3= Rich A | title = Z-DNA-binding proteins can act as potent effectors of gene expression in vivo | journal = Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. | volume = 99 | issue = 26 | pages = 16666–71 | year = 2002 | pmid = 12486233 | pmc = 139201 | doi = 10.1073/pnas.262672699 | bibcode = 2002PNAS...9916666O }}</ref>

Naštete baze A, T, C in G so najbolj pogoste, a ne edine. C se lahko metilira in demetilira, pri čemer se spreminja v 5-metilcitozin (5-mC), 5-hidroksimetilcitozin (5-hmC), 5-formilcitozin (5-fC) in 5-karboksilcitozin (5-caC).<ref>{{cite web|title=DNA methylation|url=http://www.whatisepigenetics.com/dna-methylation/|accessdate=9.1.2016}}</ref> Na spremenjen citozin se vežejo drugi encimi, zato se z metilacijo spreminja izražanje genov. Bakterije lahko metilirajo tudi adenin v metiladenin, pri podvojevanju DNK je originalna veriga še vedno metilirana, na novo sintetizirana pa se metilira kasneje. V vmesnem času lahko popravljalni mehanizmi na osnovi originala odpravijo nekatere napake pri podvojevanju.<ref name="Barras">{{cite journal | authorauthor1 = Barras F,|author2= Marinus MG | title = The great GATC: DNA methylation in E. coli | journal = Trends in Genetics | volume = 5 | issue = | pages = 139–143 | year = 1989 | month = | pmid = | doi = 10.1016/0168-9525(89)90054-1 | url = | issn = }}</ref><ref>{{cite journal | authorauthor1 = Lobner-Olesen A,|author2= Skovgaard O,|author3= Marinus, MG | title = Dam methylation: coordinating cellular processes | journal = Curr. Opin. Microbiol. | volume = 8 | issue = 2 | pages = 154–160 |date=April 2005 | pmid = 15802246| doi = 10.1016/j.mib.2005.02.009 | url = | issn = }}</ref>

Pri nekaterih enoceličnih [[praživali]]h je bila v zaporedju DNK odkrit tudi beta-d-glukopiranoziloksimetiluracil, poimenovan baza J. <ref name=Simpson1998>{{cite journal | author = Simpson L | title = A base called J | journal = Proc Natl Acad Sci USA | volume = 95 | issue = 5 | pages = 2037–2038 | year = 1998 | pmid = 9482833 | pmc = 33841 | doi = 10.1073/pnas.95.5.2037 | url = | bibcode = 1998PNAS...95.2037S }}</ref> Tudi za to bazo so bili odkriti encimi, ki jo prepoznajo in se vežejo nanjo<ref name=Cross1999>{{cite journal | authorauthors = Cross M, Kieft R, Sabatini R, Wilm M, de Kort M, van der Marel GA, van Boom JH, van Leeuwen F, Borst P | title = The modified base J is the target for a novel DNA-binding protein in kinetoplastid protozoans | journal = The EMBO Journal | volume = 18 | issue = 22 | pages = 6573–6581 | year = 1999 | pmid = 10562569 | pmc = 1171720 | doi = 10.1093/emboj/18.22.6573 }}</ref><ref name=DiPaolo2005>{{cite journal | authorauthor1 = DiPaolo C,|author2= Kieft R,|author3= Cross M,|author4= Sabatini R | title = Regulation of trypanosome DNA glycosylation by a SWI2/SNF2-like protein | journal = Mol Cell | volume = 17 | issue = 3 | pages = 441–451 | year = 2005 | pmid = 15694344 | doi = 10.1016/j.molcel.2004.12.022 }}</ref><ref name=Vainio2009>{{cite journal | authorauthors = Vainio S, Genest PA, ter Riet B, van Luenen H, Borst P | title = Evidence that J-binding protein 2 is a thymidine hydroxylase catalyzing the first step in the biosynthesis of DNA base J | journal = Molecular and biochemical parasitology | volume = 164 | issue = 2 | pages = 157–61 | year = 2009 | pmid = 19114062 | doi = 10.1016/j.molbiopara.2008.12.001 }}</ref> Ker je bila baza J opisana šele leta 2008 njena vloga še ni povsem pojasnjena, morda služi kot signal za zaključek prepisovanja encima RNA polimeraze II.<ref name=van_Luenen2012>{{cite journal | authorauthors = van Luenen HG, Farris C, Jan S, Genest PA, Tripathi P, Velds A, Kerkhoven RM, Nieuwland M, Haydock A, Ramasamy G, Vainio S, Heidebrecht T, Perrakis A, Pagie L, van Steensel B, Myler PJ, Borst P | title = Leishmania | journal = Cell | volume = 150 | issue = 5 | pages = 909–921 | year = 2012 | pmid = 22939620 | pmc = 3684241 | doi = 10.1016/j.cell.2012.07.030 }}</ref><ref name=Hazelbaker2012>{{cite journal | authorauthor1 = Hazelbaker DZ,|author2= Buratowski S | title = Transcription: base J blocks the way | journal = Curr Biol | volume = 22 | issue = 22 | pages = R960–2 | year = 2012 | pmid = 23174300 | pmc = 3648658 | doi = 10.1016/j.cub.2012.10.010 }}</ref>

Telomere so skrajni deli linearnih kromosomov, kjer se DNK zaključi v obliki G-kvadrupleksa. V kvadrupleksu gvaninske baze niso povezane v parih ampak v četverčkih s kovinskim ionom v sredini v stabilno obliko. Kvadrupleks ščiti konec DNK in preprečuje, da bi ga encimi, ki so vpleteni v popravilo poškodovane DNK, obravnavali kot poškodbo.<ref name=Burge>{{cite journal | authorauthors = Burge S, Parkinson GN, Hazel P, Todd AK, Neidle S | title = Quadruplex DNA: sequence, topology and structure | journal = Nucleic Acids Res | volume = 34 | issue = 19 | pages = 5402–15 | year = 2006 | pmid = 17012276 | pmc = 1636468 | doi = 10.1093/nar/gkl655 }}</ref><ref>{{cite journal | authorauthor1 = Parkinson GN,|author2= Lee MP,|author3= Neidle S | title = Crystal structure of parallel quadruplexes from human telomeric DNA | journal = Nature | volume = 417 | issue = 6891 | pages = 876–80 | year = 2002 | pmid = 12050675 | doi = 10.1038/nature755 | bibcode = 2002Natur.417..876P }}</ref> V telomerah DNK tvori tudi T-zanke, to so enoverižne DNK (ssDNK), ki so ovite okoli telomernih proteinov.<ref>{{cite journal | authorauthors = Griffith JD, Comeau L, Rosenfield S, Stansel RM, Bianchi A, Moss H, de Lange T | title = Mammalian telomeres end in a large duplex loop | journal = Cell | volume = 97 | issue = 4 | pages = 503–14 | year = 1999 | pmid = 10338214 | doi = 10.1016/S0092-8674(00)80760-6 }}</ref>

Podvojevanje DNK je ključen proces prenosa dedne informacije na hčerinske celice, oziroma pri višjih organizmih na potomce. Dvoverižna DNK se odvije in razpre, na osnovi enoverižne DNK se po principu komplementarnih nukleotidov sintetizira druga veriga v smeri 5' proti 3'. Tako dobimo dve dvoverižni vijačnici DNK, ki sta enaki originalu.<ref>{{cite book| authorauthor1= Berg JM,|author2= Tymoczko JL,|author3= Stryer L,|author4= Clarke ND| title=Biochemistry| year=2002| publisher=W.H. Freeman and Company| isbn=0-7167-3051-0}} [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=stryer.chapter.3740 Chapter 27: DNA Replication, Recombination, and Repair]</ref><ref>{{cite book| authorauthors= Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P| title=Molecular Biology of the Cell | year=2002| publisher=Garland Science| isbn=0-8153-3218-1}} [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=mboc4.chapter.747 Chapter 5: DNA Replication, Repair, and Recombination]</ref>

V najširšem pomenu je mutacija katerokoli trajna sprememba nukleotidnega zaporedja DNK. Pri večceličnih organizmih mutacije v telesnih celicah lahko privedejo do nenadzorovanega deljenja celic - [[rak (bolezen)|raka]]vih obolenj, s stališča [[evolucija|evolucije]] pa so bolj pomembne mutacije v klični liniji, torej tiste, ki se prenesejo na potomce. Mutacije se razlikujejo v obsegu od spremembe posameznega nukleotida do večjih prerazporejanj kromosomov v obsegu več milijonov nukleotidov. Razlike so tudi v posledicah, od nezaznavnih, pozitivnih in letalnih ([[smrt]]nih). Številni popravljalni mehanizmi zagotavljajo, da se pri podvajanju zgodi malo sprememb in da se na potomce prenese malo mutacij, po drugi strani pa so mutacije tudi vir [[genetska raznolikost|genetske raznolikosti]],<ref>{{cite journal | authorauthor1 = Pál C,|author2= Papp B,|author3= Lercher MJ | title = An integrated view of protein evolution | journal = Nature Reviews Genetics | volume = 7 | issue = 5 | pages = 337–48 | year = 2006 | pmid = 16619049 | doi = 10.1038/nrg1838 }}</ref> zato obstajajo tudi mehanizmi, ki jih ustvarjajo.

Encim DNA polimeraza je pri sintezi komplementarne verige dokaj natančna in naredi napako samo na približno 10⁷ nukleotidov.<ref name="pmid18166979">{{cite journal |authorauthor1=McCulloch SD,|author2= Kunkel TA |title=The fidelity of DNA synthesis by eukaryotic replicative and translesion synthesis polymerases |journal=Cell Research |volume=18 |issue=1 |pages=148–61 |date=January 2008 |pmid=18166979 |doi=10.1038/cr.2008.4 |pmc=3639319}}</ref> Dodatni mehanizmi preverjajo sintetizirano verigo brez metiliranih citozinov na osnovi originalne verige z metiliranimi citozini in odpravljajo napake, tako da je končno število napak še nižje, ena na 10⁹ nukleotidov.<ref name="pmid18166979"/> Človeški genom sestavlja nekaj več kot 3 milijard nukleotidov v dveh kopijah, torej se pri podvojitvi genoma in deljenju celice zgodi ~6 napak. Pri bakterijah in virusih je stopnja mutacij višja.

V [[forenzika|forenziki]] je DNK uporabna zaradi razlik v nukleotidnem zaporedju med posamezniki. Na osnovi večjega števila izbranih točk na genomu določimo DNK profil, za katerega je izjemno malo verjetno, da se pojavi pri dveh različnih osebah.<ref>{{cite journal | authorauthor1 = Collins A,|author2= Morton NE | title = Likelihood ratios for DNA identification | journal = Proc Natl Acad Sci USA | volume = 91 | issue = 13 | pages = 6007–11 | year = 1994 | pmid = 8016106 | pmc = 44126 | doi = 10.1073/pnas.91.13.6007 | bibcode = 1994PNAS...91.6007C }}</ref> S primerjavo DNK profilov lahko določamo tudi starševstvo, saj vsak posameznik dobi polovico genetskega materiala od vsakega starša.