Den deoksyribonukleinsyre , eller DNA , er et makromolekyl tilstede biologisk i nesten alle celler og i mange virus . DNA inneholder all den genetiske informasjonen, kalt genom , som tillater utvikling, funksjon og reproduksjon av levende vesener . Det er en nukleinsyre , som ribonukleinsyre (RNA). Nukleinsyrer er, sammen med peptider og karbohydrater , en av de tre største familiene av biopolymerer som er essensielle for alle kjente livsformer.
DNA-molekyler i levende celler består av to antiparallelle tråder viklet rundt hverandre for å danne en dobbel helix . DNA sies å være dobbeltstrenget eller dobbeltstrenget. Hver av disse strengene er en polymer som kalles polynukleotid . Hver monomer som utgjør den er et nukleotid , som er dannet av en nukleinbase , eller nitrogenholdig base - adenin (A), cytosin (C), guanin (G) eller tymin (T) - knyttet til en ose - her, deoksyribosen - som selv er forbundet til en fosfatgruppe . Polymeriserte nukleotider er forenet til hverandre ved kovalente bindinger mellom deoksyribosen av ett nukleotid og fosfatgruppen i det neste nukleotidet, og danner dermed en kjede hvor oser og fosfater veksler, med nukleinbaser hver knyttet til en ose. Rekkefølgen nukleotidene etterfølger hverandre langs en DNA-streng utgjør sekvensen til denne strengen. Det er denne sekvensen som bærer genetisk informasjon. Dette er strukturert i gener , som uttrykkes gjennom transkripsjon til RNA . Disse RNA-ene kan være ikke-kodende - spesielt overføre RNA og ribosomalt RNA - ellers koding: i dette tilfellet er de messenger-RNA , som blir oversatt til proteiner av ribosomer . Rekkefølgen av nukleinbaser på DNA bestemmer suksessen til aminosyrer som utgjør proteinene som er resultatet av disse genene. Korrespondansen mellom nukleinbaser og aminosyrer er den genetiske koden . Alle genene til en organisme utgjør genomet .
Nukleinsyrebasene til en DNA-streng kan samhandle med nukleinbasene i en annen DNA-streng gjennom hydrogenbindinger , som bestemmer reglene for paring mellom basepar : adenin og tyminpar ved hjelp av to hydrogenbindinger, mens guanin og cytosinpar ved hjelp av tre hydrogenbindinger. Normalt parrer ikke adenin og cytosin seg, akkurat som guanin og tymin. Når sekvensene til de to strengene er komplementære, kan disse strengene pares sammen og danne en karakteristisk dobbeltstrenget spiralformet struktur kalt en DNA-dobbel helix. Denne doble helixen er godt egnet for lagring av genetisk informasjon: ose-fosfatkjeden er motstandsdyktig mot spaltingsreaksjoner ; dessuten dupliseres informasjonen på de to strengene i dobbeltspiralen, noe som gjør det mulig å reparere en skadet streng fra den andre strengen som har vært intakt; til slutt kan denne informasjonen kopieres gjennom en mekanisme som kalles DNA-replikering der en DNA-dobbel helix blir trofast kopiert til en annen dobbel helix som bærer den samme informasjonen. Dette er spesielt hva som skjer under celledeling : hvert DNA-molekyl i morscellen replikeres i to DNA-molekyler, hver av de to dattercellene får dermed et komplett sett med DNA-molekyler. Hvert spill er identisk med det andre.
I celler er DNA organisert i strukturer som kalles kromosomer . Disse kromosomene arbeider for å gjøre DNA mer kompakt ved hjelp av proteiner , spesielt histoner , som sammen med nukleinsyrer danner et stoff som kalles kromatin . Kromosomer deltar også i reguleringen av genuttrykk ved å bestemme hvilke deler av DNA som skal transkriberes til RNA . I eukaryoter ( dyr , planter , sopp og protister ) er DNA hovedsakelig inneholdt i cellens kjerne , med en brøkdel av DNA også til stede i mitokondrier så vel som i planter i kloroplaster . I prokaryoter ( bakterier og archaea ) er DNA inneholdt i cytoplasmaet . I virus som inneholder DNA, lagres det i kapsiden . Uansett hvilken organisme som anses, overføres DNA under reproduksjon : det spiller rollen som støtte for arvelighet . Modifikasjonen av sekvensen av basene til et gen kan føre til en genetisk mutasjon , som ifølge tilfellene kan være gunstig, uten konsekvens eller skadelig for organismen, til og med uforenlig med dens overlevelse. Som et eksempel er modifisering av en enkelt base av et enkelt gen - den av β-globin , en proteinunderenhet av hemoglobin A - av den humane genotypen ansvarlig for sigdcelleanemi , en genetisk sykdom blant de mest utbredte i verden.
DNA er en lang polymer dannet ved repetisjon av monomerer kalt nukleotider . Det første DNA ble identifisert og isolert i 1869 fra kjernen av hvite blodlegemer av sveitseren Friedrich Miescher . Den doble helixstrukturen ble demonstrert i 1953 av britiske Francis Crick og amerikaneren James Watson fra eksperimentelle data innhentet av britiske Rosalind Franklin og Maurice Wilkins . Denne strukturen, som er felles for alle arter , består av to spiralformede polynukleotidkjeder viklet rundt hverandre rundt en felles akse, med en stigning på omtrent 3,4 nm for en diameter på omtrent 2, 0 nm . En annen studie som måler de geometriske parametrene til DNA i oppløsning gir en diameter på 2,2 til 2,6 nm med en lengde per nukleotid på 0,33 nm . Selv om hvert nukleotid er veldig lite, kan DNA-molekyler inneholde millioner av dem og vokse til betydelige størrelser. For eksempel inneholder humant kromosom 1 , som er det største av humane kromosomer , omtrent 220 millioner basepar med en lineær lengde på over 7 cm .
I levende celler , DNA som vanligvis ikke eksisterer i enkeltkjedet (single stranded ) form, men snarere i dobbeltkjedet (dobbelttrådet) form med en dobbel helix konfigurasjon. De monomerene som utgjør hver DNA-tråd som består av et segment av deoksyribose - fosfat kjede og en nukleinsyre basen er knyttet til deoksyribose. Den molekylet som resulterer fra binding av en nukleinsyre basen til en ose , kalles et nukleosid ; tilsetning av en til tre fosfatgrupper til dosen av et nukleosid danner en nukleotid- . En polymer som følge av polymerisasjonen av nukleotider kalles et polynukleotid . DNA og RNA er polynukleotider.
Den ose som utgjør ryggraden til molekylet er 2'-deoksyribose , et derivat av ribose . Denne pentosen veksler med fosfatgrupper for å danne fosfodiesterbindinger mellom atomene n o 3 'og n o 5' rester ved siden av deoksyribose. På grunn av denne asymmetriske bindingen gir DNA-tråder mening. I en dobbel helix er de to DNA-strengene i motsatt retning: de sies å være antiparallelle . Den 5 'til 3' retning av en DNA-tråd på vanlig måte angir den for den ende som bærer en fosfat- gruppe -PO 3- 2-mot slutten med en hydroksylgruppe –OH; det er i denne forstand DNA blir syntetisert av DNA-polymeraser . En av de største forskjellene mellom DNA og RNA er det faktum at tørrheten til skjelettet til molekylet er ribose når det gjelder RNA i stedet for DNA-deoksyribose, som spiller på stabiliteten og geometrien til dette makromolekylet .
DNA-dobbeltspiralen stabiliseres i hovedsak av to krefter: hydrogenbindinger mellom nukleotider på den ene siden, og stablingsinteraksjonene til de aromatiske ringene til nukleinsbasene på den andre siden. I det vandige miljøet i cellen justeres de konjugerte π-bindingene til disse basene vinkelrett på aksen til DNA-molekylet for å minimere deres interaksjoner med oppløsningslaget og derfor deres fri entalpi . De fire bestående nukleotidene av DNA er adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og tymin (T), og danner følgende fire nukleotider , og komponerer DNA:
De fire DNA- basene er av to typer: på den ene siden puriner - adenin og guanin - som er bicykliske forbindelser som består av to heterocykler med henholdsvis fem og seks atomer, på den andre siden pyrimidinene - cytosin og tymin - som er monosykliske forbindelser omfattende en heterosyklus med seks atomer. De basepar av den doble DNA-spiral er laget av et purin samvirker med et pyrimidin gjennom to eller tre hydrogenbindinger :
På grunn av denne komplementariteten blir all genetisk informasjon som bæres av en av strengene i DNA-dobbeltspiralen også båret identisk på den andre strengen. Det er på dette prinsippet at mekanismen for DNA-replikering er basert , og det er på denne komplementariteten mellom nukleinbaser som alle de biologiske funksjonene til DNA i levende celler er basert på.
DNA fra visse virus , slik som bakteriofagene PBS1 og PBS2 av Bacillus subtilis , bakteriofagen φR1-37 av Yersinia og fagen S6 av Staphylococcus , kan erstatte tymin med uracil , en pyrimidin som vanligvis er karakteristisk for RNA, men normalt fraværende fra DNA det finnes bare som et nedbrytingsprodukt av cytosin.
De nukleobaser mate oftere ved å danne basepar kalt "Watson-Crick" som svarer til to eller tre hydrogenbindinger etablert mellom to baser orientert anti til resten av deoksyribose . Imidlertid kan hydrogenbindinger også etableres mellom en syn-orientert purin og en anti-orientert pyrimidin : i dette tilfellet er dette en Hoogsteen-parring . I tillegg er en Watson-Crick basepar stand til å etablere Hoogsteen-typen hydrogenbindinger med en tredje base, som tillater dannelse av tre- trådede DNA-strukturer.
Bare en av strengene i et DNA-segment som utgjør et gen blir transkribert til funksjonelt RNA , slik at de to strengene i et gen ikke er ekvivalente: den som transkriberes til funksjonelt RNA sies å ha negativ polaritet og har en antisense- sekvens mens den komplementære strengen - som også kan transkriberes til RNA, men ikke funksjonell - sies å ha positiv polaritet og har en fornuftig DNA-sekvens. Strengen transkribert til funksjonelt RNA kalles noen ganger den kodende strengen, men denne betegnelsen er bare gyldig i et gitt gen fordi de to strengene i samme DNA- dobbeltspiral kan kode forskjellige proteiner; vi snakker da om ambisensstrenger. RNA transkriberes også fra sense DNA-sekvenser - derav antisense RNA-sekvenser - i både prokaryoter og eukaryoter , men deres biologiske rolle er ikke fullstendig belyst; en av hypotesene er at disse antisense-RNAene kan gripe inn i reguleringen av genuttrykk gjennom sammenkoblingen mellom sense- og antisense-RNA-sekvenser, som per definisjon er komplementære.
Skillet mellom sense- og antisense-DNA-strenger er uskarpt i visse typer overlappende gener , ganske sjeldne i prokaryoter og eukaryoter, men mer vanlig på plasmider og i virus , der begge strengene av det samme DNA-segmentet hver koder for et annet funksjonelt RNA. Hos bakterier kan denne overlappingen spille en rolle i reguleringen av gentranskripsjon, mens overlappende gener i virus øker mengden genetisk informasjon som kan kodes i den lille størrelsen på virusgenomet.
DNA som frigjøres kan være lineært, slik det vanligvis er tilfelle i eukaryoter , eller sirkulært, som i prokaryoter . Den kan imidlertid vri seg på en til tider kompleks måte under innvirkning av ytterligere propelsvingninger eller fjerning av svinger i dobbeltspiralen . Den doble DNA-spiral således superkveilet under påvirkning av positive eller negative superturns har en stigning på henholdsvis forkortes eller forlenges i forhold til sin avslappede tilstand: i det første tilfelle, nukleinsyre-baser er anordnet i et mer kompakt måte; i det andre tilfellet, tvert imot, samhandler de mindre tett. In vivo viser DNA vanligvis litt negativ supercoiling under effekten av enzymer som kalles DNA-topoisomeraser , som også er essensielle for å løsne spenningene som blir introdusert i DNA under prosesser som involverer å avvikle dobbeltspiralen for å skille seg fra den. De to strengene , som er spesielt tilfelle under DNA-replikasjon og under transkripsjonen til RNA .
Siden hydrogenbindinger ikke er kovalente bindinger , kan de brytes ganske enkelt. Det er således mulig å skille de to trådene i DNA-dobbeltspiralen som en glidelås både mekanisk og under påvirkning av høy temperatur, så vel som ved lav saltholdighet , ved høy pH - basisk løsning - og ved lav pH - sur løsning , som endrer imidlertid DNA spesielt ved avrensing. Denne separasjonen av strengene av dobbeltstrenget DNA for å danne to enkeltstrengede DNA-molekyler kalles DNA- fusjon eller denaturering . Temperaturen der 50% av det dobbeltstrengede DNA dissosieres i to enkeltstrengede DNA-molekyler kalles smeltetemperaturen eller semi-denatureringstemperaturen til DNA, betegnet Tm . Det kan måles ved å følge den optiske absorpsjonen ved 260 nm av løsningen som inneholder DNA: denne absorpsjonen øker under uoverensstemmelse, som kalles hyperkromisitet . De enkeltstrengede DNA-molekylene som frigjøres har ikke en spesiell konfigurasjon, men noen tredimensjonale strukturer er mer stabile enn andre.
Stabiliteten til en dobbel dobbel helix avhenger i hovedsak av antall hydrogenbindinger som skal brytes for å skille de to strengene. Derfor, jo lengre dobbel helix, jo mer stabil er den. Men siden G- C- parene er forent med tre hydrogenbindinger i stedet for to for de A T parene , stabiliteten av dobbelt - kjedet DNA-molekyler med samme lengde øker med antallet av G- C- parene som de inneholder, målt ved deres hastighet. av GC . Denne virkning forsterkes ved det faktum at stable interaksjoner mellom nucleic baser av den samme DNA-streng er sterkere mellom guanin og cytosin -rester , slik at DNA -sekvensen påvirker også dens stabilitet. Smeltetemperaturen til DNA avhenger derfor av lengden på molekylene, deres GC-nivå, deres sekvens, deres konsentrasjon i løsningsmidlet og ionestyrken i det. I molekylærbiologi observeres det at segmentene av dobbeltstrenget DNA hvis funksjon innebærer at de to strengene i den dobbelte helixen enkelt kan skilles, har en høy hastighet på A T- par : dette er tilfellet med TATAAT-sekvensen som er typisk for Pribnow boks med noen arrangører .
De to DNA- strengene danner en dobbel spiral, hvis ryggrad danner to spor. Disse sporene ligger ved siden av basepar og vil sannsynligvis gi et bindingssted for forskjellige molekyler. Siden DNA-strengene ikke er posisjonert symmetrisk i forhold til akselen til den dobbelte helixen, definerer de to furer av ulik størrelse: hovedsporet er 2,2 nm bredt mens mindre spor er 1,2 nm . Kantene på kjernebasene er mer tilgjengelige i hovedsporet enn i mindre spor. Dermed gjør proteiner , som transkripsjonsfaktorer , som binder seg til spesifikke sekvenser i dobbeltstrenget DNA det vanligvis på hovedsporet nivå.
Det er mange mulige samsvar med DNA-dobbeltspiralen. De klassiske formene kalles DNA A , DNA B og DNA Z , hvorav bare de to sistnevnte har blitt observert direkte in vivo . Konformasjonen vedtatt av dobbelt - trådet DNA er avhengig av graden av hydrering , sin sekvens , dens hastighet av supercoiling , de kjemiske modifikasjoner av de baser som utgjør den, arten og konsentrasjonen av metallioner i oppløsning , til og med av tilstedeværelsen av polyaminer .
Omgivelser | DNA A | DNA B | Z DNA |
---|---|---|---|
Retning av propellen | Ikke sant | Ikke sant | venstre |
Gjentatt mønster | 1 bp | 1 bp | 2 bp |
Rotasjon etter par baser | 32,7 ° | 34,3 ° | 60 ° / 2 |
Et par baser per propelltur | 11 | 10.5 | 12 |
Propellhøyde per revolusjon | 2,82 nm | 3,32 nm | 4,56 nm |
Akselforlengelse etter par baser | 0,24 nm | 0,32 nm | 0,38 nm |
Diameter | 2,3 nm | 2,0 nm | 1,8 nm |
Helning av baseparene på propellen | + 19 ° | -1,2 ° | −9 ° |
Medium vri ( propell vri ) | + 18 ° | + 16 ° | 0 ° |
Orientering av substituentene til basene på de osidiske restene |
anti | anti |
Pyrimidin : anti, Purin : syn |
Folding / endosyklisk vridning av furanosen ( Sugar pucker ) |
C3'- endo | C2'- endo |
Cytosine : C2'- endo , Guanine : C2'- exo |
Den genekspresjon av DNA er avhengig av hvordan DNA pakkes i kromosomer i en struktur som kalles kromatin . Visse baser kan endres under dannelsen av kromatin, er cytosin rester av de områder som er lite eller ikke genetisk uttrykkes vanligvis som sterkt metylert , og dette i hovedsak ved CpG- områder . De histoner rundt hvilken DNA blir innpakket i chromatins kan også bli kovalent modifisert . Kromatin i seg selv kan endres av kromatin-ombyggingskomplekser. I tillegg koordineres DNA-metylering og kovalent modifisering av histoner for å påvirke kromatin og genuttrykk .
Dermed produserer metylering av cytosinrester 5-metylcytosin , som spiller en viktig rolle i inaktivering av X-kromosomet . Metyleringshastigheten varierer mellom organismer, nematoden Caenorhabditis elegans er helt blottet for den, mens virveldyr har omtrent 1% av deres DNA som inneholder 5-metylcytosin .
Pyrimidiner har en veldig lik molekylær struktur. Således, cytosin og 5-metylcytosin kan deamineres til å produsere uracil (som ikke er en base som er en del av DNA-koden) og tymin , henholdsvis. Deamineringsreaksjonen kan derfor fremme genetiske mutasjoner .
Det er også andre modifiserte baser i DNA, som for eksempel skyldes metylering av adeninrester i bakterier, men også i nematoder ( Caenorhabditis elegans ), grønne alger ( Chlamydomonas ) og fruktfluer . Den 5-hydroxymethylcytosine er et derivat av cytosin særlig tallrike i hjernen til pattedyr . Organismer som flagellatene Diplonema og Euglena og slekten Kinetoplastida inneholder dessuten et glykosylert pyrimidin avledet fra uracil og kalt base J ; denne modifiserte basen fungerer som et transkripsjonsavslutningssignal for RNA-polymerase II . Et antall proteiner som spesifikt binder seg til base J er identifisert.
DNA kan bli skadet av et stort antall mutagener som endrer sekvensen . Disse mutagener inkluderer oksidanter , alkyleringsmidler , energisk elektromagnetisk stråling så som ultrafiolett og X- og gammastråler , så vel som subatomære partikler av ioniserende stråling, slik som de som skyldes radioaktivitet eller til og med kosmiske stråler . Hvilken type skade som produseres avhenger av typen mutagen. Således er ultrafiolette stråler i stand til å skade DNA ved å produsere pyrimidindimerer ved å etablere bindinger mellom tilstøtende baser av samme DNA- streng . Oksidanter som frie radikaler eller hydrogenperoksid gir flere typer skader, for eksempel baseendringer, inkludert guanosin , og brudd i den dobbeltstrengede strukturen . En typisk menneskelig celle inneholder omtrent 150000 baser som er skadet av en oksidant. Blant disse lesjonene på grunn av oksidanter, er de farligste dobbeltstrengede brudd fordi de er de vanskeligste å reparere, og de kan produsere punktmutasjoner , innsettinger og slettinger i DNA-sekvensen, samt kromosomale translokasjoner . Disse mutasjonene vil sannsynligvis forårsake kreft . Naturlige DNA-endringer, for eksempel som følge av cellulære prosesser som produserer reaktive oksygenderivater , er ganske vanlige. Selv om DNA-reparasjonsmekanismer løser de fleste av disse lesjonene, blir noen av dem ikke reparert og akkumuleres over tid i postmitotisk vev hos pattedyr . Akkumuleringen av slike ureparerte lesjoner ser ut til å være en viktig underliggende årsak til aldring .
Mange mutagener passer inn i rommet mellom to tilstøtende basepar på en måte som kalles intercalation . De fleste interkalasjoner er laget av aromatiske forbindelser og plane molekyler , slik som etidiumbromid , akridiner , daunorubicin eller doxorubicin . Basene må bevege seg fra hverandre for å tillate innføring av interkalasjonsforbindelsen, noe som forårsaker forvrengning av dobbeltspiralen ved delvis avvikling. Dette blokkerer både transkripsjon og replikering av DNA , noe som resulterer i cytotoksisitet og mutasjoner . Følgelig kan de interkalerende forbindelsene være kreftfremkallende og, i tilfelle av talidomid , teratogene . Andre forbindelser slik som epoksybenzo [ a ] pyren diol og aflatoksin danner addukter med DNA som forårsaker replikasjonsfeil. Imidlertid, på grunn av deres evne til å blokkere DNA-transkripsjon og replikasjon, brukes andre lignende toksiner også i cellegift mot celler som sprer seg raskt.
DNA finnes hovedsakelig i kromosomer , som generelt er lineære i eukaryoter og sirkulære i prokaryoter . I sistnevnte kan den også bli funnet utenfor kromosomene, innenfor plasmider . Alt DNA fra en celle utgjør genomet . Det menneskelige genomet representerer omtrent tre milliarder basepar fordelt på 46 kromosomer. Informasjonen i genomet bæres av segmenter av DNA som danner genene . Den genetiske informasjonen overføres gjennom spesifikke samsvarende regler, kalt Watson-Crick-parring: de eneste to parene med normalt tillatte baser er adenin med tymin og guanin med cytosin . Disse sammenkoblingsreglene ligger til grunn for de forskjellige prosessene på jobb i de biologiske funksjonene til DNA:
Når en celle er delt , må den replikere DNA som bærer genomet sitt, slik at begge dattercellene arver den samme genetiske informasjonen som foreldercellen. DNA-dobbeltspiralen gir en enkel replikeringsmekanisme: de to strengene rulles ut for å skilles, og hver av de to trådene fungerer som en mal for å gjenskape en streng med den komplementære sekvensen ved å parre mellom nukleinbaser , noe som gjør det mulig å rekonstruere to identiske dobbeltstrengede DNA-spiraler . Denne prosessen katalyseres av et sett av enzymer, blant hvilke DNA-polymeraser er de som utfyller de utrullede DNA-strengene for å rekonstruere de to komplementære strengene. Siden disse DNA-polymerasene bare kan polymerisere DNA i 5 'til 3' -retningen , griper forskjellige mekanismer inn for å kopiere de antiparallelle strengene i den dobbelte helixen:
DNA i genomet er organisert og komprimert i en prosess som kalles DNA-kondens, slik at den kan passe inn i det tette rommet i en celle . I eukaryoter er DNA lokalisert hovedsakelig i kjernen , med en liten brøkdel også i mitokondriene og i planter i kloroplastene . I prokaryoter er DNA funnet i en uregelmessig struktur av cytoplasmaet som kalles en nukleoid . Den genetiske informasjonen til genomet er organisert i gener , og hele settet med denne informasjonen kalles en genotype . Et gen er en brøkdel av DNA som påvirker en bestemt egenskap hos organismen og er derfor en del av arvelighet . Den inneholder en åpen leseramme som kan transkriberes til RNA , samt sekvenser for regulering av genuttrykk, slik som promotorer og forsterkere som styrer transkripsjon.
I de fleste arter koder bare en liten brøkdel av genomet proteiner . Dermed består omtrent 1,5% av det humane genomet av eksoner som koder for proteiner, mens mer enn 50% av humant DNA består av gjentatte ikke-kodende sekvenser ; resten av DNA-et koder for forskjellige typer RNA slik som overførings-RNA og ribosomalt RNA . Tilstedeværelsen av en slik mengde ikke-kodende DNA i genomet av eukaryoter, så vel som den store variasjonen i størrelsen på genomet til forskjellige organismer - størrelse som ikke har noen sammenheng med kompleksiteten til de tilsvarende organismer - er et spørsmål kjent siden begynnelsen av molekylærbiologi og ofte kalt paradokset for C-verdien , denne " C-verdien " betegner, i diploide organismer , størrelsen på genomet, og et mangfold av denne størrelsen i polyploider . Imidlertid kan det hende at visse DNA-sekvenser som koder for proteiner ikke koder for molekyler av RNA involvert i den funksjonelle reguleringen av genuttrykk .
Visse ikke-kodende DNA-sekvenser spiller en strukturell rolle i kromosomer . De telomerer og sentromerer inneholder typisk få gener, men i betydelig grad bidra til biologiske funksjoner og den mekaniske stabilitet av kromosomer. En betydelig brøkdel av ikke-kodende DNA består av pseudogener , som er kopier av gener som er gjort inaktive som et resultat av mutasjoner . Disse sekvensene er vanligvis bare molekylære fossiler, men kan noen ganger tjene som genetisk råmateriale for opprettelse av nye gener gjennom prosesser med genetisk duplisering og evolusjonær divergens.
Den genekspresjon er å omdanne genotypen av en organisme fenotype , det vil si, et sett av karakteristikker av denne organisasjon. Denne prosessen er påvirket av forskjellige eksterne stimuli og består av følgende tre hovedfaser:
Merk at det samme DNA kan uttrykkes på to trinn i utviklingen av en organisme (på grunn av forskjellige repressorer og derepressiva) på veldig forskjellige måter, det mest kjente eksemplet er larven og sommerfuglen, morfologisk veldig fjernt.
Den informasjon genet kodet for av sekvensen av nukleotider i genet DNA som kan kopieres til en nukleinsyre forskjellig fra kjente DNA og RNA . Dette RNA er strukturelt veldig likt et enkeltstrenget DNA-molekyl, men er forskjellig i arten av ose av nukleotidene - RNA inneholder ribose hvor DNA inneholder deoksyribose - så vel som en av dets nukleotider. Nukleinsyrebaser - tyminet i DNA er erstattet av uracil .
Transkripsjonen av DNA til RNA er en kompleks prosess som klarlegging var et stort fremskritt i molekylærbiologi i løpet av andre halvdel av det XX th århundre. Det er tett regulert, spesielt av proteiner som kalles transkripsjonsfaktorer som, som respons på hormoner, for eksempel tillater transkripsjon av målgener: dette er for eksempel tilfellet med kjønnshormoner som østrogen , progesteron og testosteron .
Den RNA som resulterer fra transkripsjon av DNA som kan være ikke-kodende eller koding. I det første tilfellet har den sin egen fysiologiske funksjon i cellen ; i det andre tilfellet er det et messenger-RNA , som brukes til å transportere den genetiske informasjonen i DNA til ribosomene , som organiserer dekodingen av denne informasjonen ved hjelp av overførings-RNA . Disse overførings-RNAene er koblet til en aminosyre blant de 22 proteinogene aminosyrene og har hver en gruppe på tre påfølgende nukleinbaser kalt anticodon . De tre basene til disse antikodonene kan kobles sammen med tre påfølgende baser av messenger-RNA, denne tripletten av baser danner et kodon som er komplementært til antikonet for overførings-RNA. Komplementariteten til messenger RNA-kodonet og overførings-RNA-antikodon er basert på Watson-Crick-type parringsregler som styrer den sekundære strukturen til dobbeltstrengede DNA .
Korrespondansen mellom de 64 mulige kodonene og de 22 proteinogene aminosyrene kalles den genetiske koden . Denne koden materialiseres av de forskjellige overførings-RNAene som fysisk lager koblingen mellom en gitt aminosyre og forskjellige antikodoner i henhold til de forskjellige overførings-RNAene som kan binde til den samme aminosyren. Således kan en gitt sekvens av nukleinbaser i et gen på DNA omdannes til en presis sekvens av aminosyrer som danner et protein i cytoplasmaet i cellen.
Det er flere kodoner enn det er aminosyrer å kode. Den genetiske koden sies derfor å være degenerert. I tillegg til proteinogene aminosyrer, koder den også slutten av translasjonen ved hjelp av tre spesifikke kodoner kalt STOP- kodoner : TAA, TGA og TAG på DNA.
Alle biologiske funksjoner av DNA avhenger av interaksjoner med proteiner . Disse kan variere fra uspesifikke interaksjoner til interaksjoner med proteiner som spesifikt binder seg til en spesifikk DNA- sekvens . Av enzymer kan også binde seg til DNA, og blant disse spiller polymerasene som gir DNA-replikasjon og dets transkripsjon til RNA en spesielt viktig rolle.
Strukturelle proteiner som binder seg til DNA gir velkjente eksempler på uspesifikke interaksjoner mellom proteiner og DNA. Dette opprettholdes i kromosomer ved å danne komplekser med strukturelle proteiner som kondenserer DNA til en kompakt struktur kalt kromatin . I eukaryoter involverer denne strukturen små basiske proteiner kalt histoner , mens den involverer mange proteiner av forskjellige slag i prokaryoter . Histoner danner et skiveformet kompleks med DNA kalt et nukleosom som inneholder to komplette svinger av et dobbeltstrenget DNA-molekyl pakket rundt proteinet. Disse ikke-spesifikke interaksjoner er etablert mellom de basiske rester av histoner og den syre ryggrad består av et alternerende ose - fosfat bærer -nukleinsyre-baser av DNA-dobbeltspiralen. På denne måten dannes ioniske bindinger som er uavhengige av DNA- basesekvensen . Disse basiske aminosyrerestene gjennomgår kjemiske forandringer som metyleringer , fosforyleringer og acetyleringer . Disse kjemiske modifikasjonene endrer intensiteten av interaksjoner mellom DNA og histoner, noe som gjør DNA mer eller mindre tilgjengelig for transkripsjonsfaktorer og dermed modulerer transkripsjonsaktivitet . Andre proteiner som ikke spesifikt binder til DNA inkluderer kjerneproteiner av den høye elektroforetiske mobilitetsgruppen , kjent som HMG , som binder seg til bøyd eller forvrengt DNA. Disse proteinene er viktige for å bøye nettverk av nukleosomer og ordne dem i større strukturer som utgjør kromosomer.
Av proteinene med uspesifikke interaksjoner med DNA, utgjør de som binder spesifikt til enkeltstrenget DNA en spesiell gruppe. Hos mennesker er protein A den mest forståte representanten. Det oppstår når de to strengene i en dobbel helix skilles fra hverandre, spesielt under DNA-replikasjon , rekombinasjon og reparasjon . Disse proteinene ser ut til å stabilisere enkeltstrenget DNA og forhindre at det dannes stammesløyfe - hårnålestrukturer - eller nedbrytes av nukleaser .
Proteiner som er spesifikke for en DNA-sekvensOmvendt binder andre proteiner bare til spesifikke DNA- sekvenser . Blant disse proteinene er de mest studerte de forskjellige transkripsjonsfaktorene , som er proteiner som regulerer transkripsjon . Hver transkripsjonsfaktor binder bare til et bestemt sett med DNA-sekvenser og aktiverer eller inhiberer gener hvorav en av disse spesifikke sekvensene er nær promoteren . Transkripsjonsfaktorer oppnår dette på to måter. De kan først binde seg til RNA-polymerase som er ansvarlig for transkripsjon, direkte eller gjennom andre mediatorproteiner; dette posisjonerer polymerasen på promoternivået og lar den starte transkripsjon. De kan også binde seg til enzymer som modifiserer histoner på promoternivå, noe som har effekten av å modifisere tilgjengeligheten av DNA til polymerasen.
Fordi disse DNA-målene kan fordeles gjennom organismenes genom , kan en endring i aktiviteten til en type transkripsjonsfaktor påvirke tusenvis av gener. Derfor er disse proteinene ofte målet for signaltransduksjonsprosesser som styrer responser på miljøendringer, celleutvikling eller differensiering . Spesifisiteten av interaksjonen av disse transkripsjonsfaktorene med DNA kommer av det faktum at disse proteinene etablerer mange kontakter med kantene av nukleinsbasene , noe som gjør at de kan "lese" DNA-sekvensen. De fleste av disse interaksjonene foregår i hovedsporet i DNA-dobbeltspiralen, der basene er mest tilgjengelige.
De nukleaser er enzymer som spalter de tråder av DNA i katalysering av hydrolyse av fosfodiesterbindinger . Nukleaser som spalter nukleotider lokalisert ved enden av DNA-tråder kalles eksonukleaser , mens de som spalter nukleotider som er plassert i DNA-tråder, kalles endonukleaser . De mest brukte nukleasene i molekylærbiologi er restriksjonsenzymer som spalter DNA ved spesifikke sekvenser . Dermed gjenkjenner EcoRV-enzymet sekvensen av seks baser 5'-GATATC-3 ' og spalter den i midten. In vivo , disse enzymene beskytter bakteriene mot infeksjon av fager ved fordøyelse av DNA fra disse virusene når den kommer inn i bakteriecellen . I molekylær konstruksjon brukes de i molekylære kloningsteknikker og for å bestemme det genetiske fingeravtrykket .
DNA ligaserOmvendt kan enzymer som kalles DNA-ligaser, feste ødelagte eller spaltede DNA-strenger igjen. Disse enzymene er spesielt viktige under DNA-replikering fordi de er de som syr Okazaki-fragmentene produsert på den hengende strengen, også kalt indirekte streng, på nivået til replikasjonsgaffelen. De er også involvert i DNA-reparasjon og genetiske rekombinasjonsmekanismer .
De topoisomeraser er enzymer som har både en aktivitet nuklease og en aktivitet ligase . Den DNA gyrase er et eksempel på slike enzymer. Disse proteinene endrer hastigheten på DNA-supercoiling ved å kutte en dobbel spiral for å la de to dannede segmentene rotere i forhold til hverandre ved å frigjøre superspolene før de blir sydd sammen igjen. Andre typer topoisomeraser er i stand til å skjære en dobbel spiral for å tillate passering av et annet dobbelt helix-segment gjennom gapet som således dannes før det siste lukkes. Topoisomeraser er essensielle for mange prosesser som involverer DNA, for eksempel DNA- transkripsjon og replikasjon .
HelicasesDe helikaser er typer molekylære motorer . De bruker den kjemiske energi av nukleosid- trifosfat , i det vesentlige ATP , for å bryte hydrogenbindingene mellom basepar og vikle av DNA-dobbeltspiralen for å frigjøre begge tråder . Disse enzymene er essensielle for de fleste prosesser som krever enzymer for å få tilgang til DNA- basene .
DNA-polymeraserDe DNA-polymeraser er enzymer som syntetiserer kjeder polynukleotider fra nukleosid -trifosfater . Sekvensen til kjedene de syntetiserer bestemmes av sekvensen til en eksisterende polynukleotidkjede kalt matrise . Disse enzymene fungerer ved kontinuerlig å tilsette nukleotider til hydroksylet i 3'-enden av den voksende polypeptidkjeden. Av denne grunn fungerer alle polymeraser i retning 5 'til 3' . Nukleosidtrifosfat med en base som er komplementær til den for malparene til den i det aktive stedet av disse enzymene, som tillater polymeraser å produsere DNA- tråder hvis sekvens er nøyaktig komplementær til den for malstrengen. Polymeraser klassifiseres i henhold til typen tråder de bruker.
Under replikasjon , DNA-avhengige DNA polymeraser lage kopier av DNA-tråder. For å bevare genetisk informasjon er det viktig at basesekvensen til hver kopi er nøyaktig komplementær til basesekvensen på malstrengen. For å gjøre dette har mange DNA-polymeraser muligheten til å korrigere mulige replikasjonsfeil - korrekturlesingsfunksjon . De er derfor i stand til å identifisere defekten i dannelsen av et basepar mellom malstrengen og den voksende strengen ved basen som de nettopp har satt inn, og å spalte dette nukleotidet ved hjelp av 3 '→ 5' exonukleaseaktivitet for å eliminere denne replikasjonen feil. I de fleste organismer fungerer DNA-polymeraser i store komplekser som kalles replisomer som inneholder flere komplementære underenheter som klemmer - DNA-pinsett - og helikaser .
RNA-avhengige DNA-polymeraser er en klasse av spesialiserte polymeraser som er i stand til å kopiere en RNA- sekvens til DNA. De omfatter revers transkriptase , som er et viralt enzym som er involvert i infeksjonen av vertsceller av retrovirus , og telomerase , et enzym som er essensielt for telomere replikasjon . Telomerase er en uvanlig polymerase ved at den inneholder sin egen RNA-mal innenfor strukturen.
RNA-polymeraserDen transkripsjon blir utført ved hjelp av en RNA-polymerase DNA-avhengig som kopierer en DNA-sekvens inn i RNA . For å starte transkripsjon av et gen , binder RNA-polymerase først en DNA-sekvens kalt en promoter og skiller DNA-strengene. Deretter kopieres DNA-sekvensen som utgjør genet i en komplementær RNA-sekvens til den når en region av DNA som kalles terminatoren , der den stopper og løsner seg fra DNA. Som DNA-polymeraseavhengig DNA, fungerer RNA-polymerase II - enzymet som transkriberer de fleste genene i det menneskelige genomet - i et stort proteinkompleks som består av flere underenheter komplementære og regulatoriske.
Hver celledeling innledes med DNA-replikasjon som fører til kromosomreplikasjon . Denne prosessen bevarer normalt den genetiske informasjonen til cellen , hver av de to dattercellene arver en komplett genetisk arv som er identisk med morcellens. Noen ganger foregår imidlertid denne prosessen ikke normalt, og den genetiske informasjonen i cellen endres. Vi snakker i dette tilfellet om genetisk mutasjon . Denne endringen av genotypen kan være ubetydelig eller tvert imot også endre fenotypen som følge av ekspresjon av de endrede genene .
En dobbel dobbel helix samhandler vanligvis ikke med andre DNA-segmenter, og i menneskelige celler okkuperer de forskjellige kromosomene til og med hver sin region i kjernen som kalles det kromosomale territoriet . Denne fysiske separasjonen av de forskjellige kromosomene er viktig for at DNA skal fungere som et stabilt og varig lager av genetisk informasjon, siden en av de sjeldne tidene kromosomer samhandler, oppstår under kryssingen som er ansvarlig for genetisk rekombinasjon , det vil si når to DNA-dobbelhelixer ødelagt, bytt seksjoner og sveis sammen.
Rekombinasjon lar kromosomer utveksle genetisk materiale og produsere nye kombinasjoner av gener , noe som øker effektiviteten av naturlig utvalg og kan være medvirkende til den raske utviklingen av nye proteiner . Genetisk rekombinasjon kan også forekomme under DNA-reparasjon , spesielt i tilfelle samtidig brudd på begge strengene av DNA-dobbeltspiralen.
Den vanligste formen for kromosomal rekombinasjon er homolog rekombinasjon , der de to interagerende kromosomene deler veldig like sekvenser . Ikke-homologe rekombinasjoner kan skade cellene alvorlig, da de kan føre til translokasjoner og genetiske abnormiteter. Rekombinasjonsreaksjonen katalyseres av enzymer som kalles rekombinaser , slik som Rad51- proteinet . Det første trinnet i denne prosessen er et brudd i begge trådene i dobbeltspiralen forårsaket av endonuklease eller DNA-skade. En rekke trinn katalysert av rekombinasen resulterer i sammenføyning av de to spiralene ved minst ett Holliday-kryss hvor et enkeltstrenget segment av hver dobbeltspiral er sveiset til den komplementære strengen til den andre dobbeltspiralen. Holliday-krysset er et korsformet kryss som, når strengene har symmetriske sekvenser, kan bevege seg langs kromosomparet og bytte den ene strengen mot den andre. Rekombinasjonsreaksjonen stoppes ved spaltning av krysset og suturering av frigitt DNA.
Den genetiske informasjonen kodet av DNA er ikke nødvendigvis fast i tid, og visse sekvenser vil sannsynligvis bevege seg fra en del av genomet til en annen. Dette er de mobile genetiske elementene . Disse elementene er mutagene og kan endre genomet til celler . Blant dem finnes spesielt transposoner og retrotransposoner , hvor sistnevnte virker, i motsetning til førstnevnte, gjennom et mellomliggende RNA som gir tilbake en DNA-sekvens under virkning av en revers transkriptase . De beveger seg innenfor genomet under påvirkning av transposaser , bestemte enzymer som løsner dem fra ett sted og fester dem på nytt til et annet sted i cellegenomet, og antas å være ansvarlige for migrasjonen av ikke mindre enn 40% av det menneskelige genomet til under evolusjonen av Homo sapiens .
Disse transponerbare elementene utgjør en viktig brøkdel av genomet til levende vesener, spesielt i planter der de ofte representerer mesteparten av nukleært DNA , for eksempel i mais der 49 til 78% av genomet består av retrotransposoner. I hvete består nesten 90% av genomet av gjentatte sekvenser og 68% av transponerbare elementer. Hos pattedyr består nesten halvparten av genomet - 45-48% - av transponerbare elementer eller reststoffer derav, og omtrent 42% av det menneskelige genomet består av retrotransposoner, mens 2 til 3% dannes fra DNA-transposoner. De er derfor viktige elementer i funksjonen og utviklingen av organismenes genom.
Den såkalte gruppe I- og gruppe II- intronene er andre mobile genetiske elementer. De er ribozymer , det vil si RNA-sekvenser utstyrt med katalytiske egenskaper som enzymer , i stand til autokatalyse av egen spleising . De i gruppen jeg trenger guanin nukleotider til funksjon, i motsetning til de i gruppe II . Gruppe I-introner, for eksempel, finnes sporadisk i bakterier , mer signifikant i enkle eukaryoter , og i et veldig stort antall høyere planter . Til slutt finnes de i genene til et stort antall bakteriofager av gram-positive bakterier , men bare noen få fager av gramnegative bakterier - f.eks fag T4 .
Den genetiske informasjonen til en celle kan utvikle seg under påvirkning av inkorporering av eksogent genetisk materiale absorbert gjennom plasmamembranen . Vi snakker om horisontal genoverføring , i motsetning til vertikal overføring som skyldes reproduksjon av levende vesener. Det er en viktig evolusjonær faktor i mange organismer, spesielt i encellere . Denne prosessen involverer ofte bakteriofager eller plasmider .
De bakterier som er i stand til jurisdiksjon vil sannsynligvis direkte absorbere en ekstern DNA-molekyl, og å innlemme det i sitt eget genom , en prosess som kalles genetisk transformasjon . De kan også få dette DNA som et plasmid fra en annen bakterie gjennom bakteriekonjugering . Til slutt kan de motta dette DNAet via en bakteriofag (et virus ) ved transduksjon . De eukaryoter kan også motta eksogent genetisk materiale gjennom en prosess som kalles transfeksjon .
DNA inneholder all den genetiske informasjonen som gjør at levende ting kan leve, vokse og reprodusere. Det er imidlertid ikke kjent om DNA i løpet av de 4 milliarder årene av livshistorien på jorden alltid har spilt denne rollen. En teori antyder at det var en annen nukleinsyre , RNA , som var bæreren av den genetiske informasjonen til de første livsformene som dukket opp på planeten vår. RNA ville ha spilt den sentrale rollen i en tidlig form for cellemetabolisme i den grad det er sannsynlig både å formidle genetisk informasjon og katalysere de kjemiske reaksjonene som danner ribozymer . Denne RNA-verdenen , der RNA ville ha tjent både som en støtte for arv og som enzymer , ville ha påvirket utviklingen av den genetiske koden med fire nukleinbaser , noe som gir et kompromiss mellom presisjonen i kodingen av den genetiske informasjonen favorisert av et lite antall baser på den ene siden og den katalytiske effektiviteten til enzymer favorisert av et større antall monomerer på den andre siden.
Imidlertid er det ingen direkte bevis for tidligere eksistens av metabolske og genetiske systemer som er forskjellige fra de vi kjenner i dag, da det fortsatt er umulig å utvinne genetisk materiale fra de fleste fossiler . DNA vedvarer ikke i mer enn en million år før det blir brutt ned i korte fragmenter. Eksistensen av intakt eldste DNA er blitt foreslått, særlig en bakterie som er levedyktig ekstrahert fra en krystall av salt som er gammel 150 millioner år, men disse publikasjonene forblir kontroversielle.
Noen komponenter av DNA - adenin , guanin og relaterte organiske forbindelser - kan ha blitt dannet i rommet . Bestanddeler av DNA og RNA slik som uracil , cytosin og tymin har også blitt oppnådd i laboratoriet under forhold som gjengir de som oppstår i det interplanetære og interstellare miljøet fra enklere forbindelser som pyrimidin , funnet i meteoritter . Pyrimidin, som noen polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH) - de rikeste karbon- forbindelser som detekteres i universet - kan danne seg i røde kjempe stjerner eller interstellar sky .
Metoder er utviklet for å rense DNA fra levende ting, som fenol-kloroform-ekstraksjon , og manipulere det i laboratoriet, som restriksjonsenzymer og PCR . Den biologi og biokjemi moderne gjøre utstrakt bruk av disse teknikkene i den molekylære kloningen (i) . Det rekombinante DNA er en sekvens av syntetisk DNA samlet fra andre DNA-sekvenser. Slike DNA kan transformere organismer i form av plasmider eller ved hjelp av en virusvektor . De resulterende genetisk modifiserte organismer (GMOer) kan brukes til å produsere for eksempel rekombinante proteiner , brukt i medisinsk forskning eller i jordbruk .
DNA ekstrahert fra blod , sæd , spytt , et fragment av hud eller hår tatt på et åsted kan brukes i rettsmedisin for å bestemme en mistenkes DNA-fingeravtrykk . For dette formål blir sekvensen av DNA-segmenter slik som mikrosatellitesekvenser eller minisatellitter sammenlignet med sekvensen til individer valgt for anledningen eller allerede oppført i databaser. Denne metoden er generelt veldig pålitelig for å identifisere DNA som tilsvarer den til et mistenkt individ. Identifikasjon kan imidlertid gjøres mer komplisert hvis åstedet er forurenset med DNA fra mer enn en person. DNA-identifikasjon ble utviklet i 1984 av den britiske genetikeren Sir Alec Jeffreys og ble først brukt i 1987 for å feile en voldtektsmann for en seriemorder .
I den grad DNA akkumulerer mutasjoner over tid som overføres av arv , inneholder den historisk informasjon som, når den analyseres av genetikere ved å sammenligne sekvenser fra organismer med forskjellige historier, gjør det mulig å spore historien om evolusjonen til disse organismer, det vil si deres fylogenese . Denne disiplinen, som setter genetikk i tjeneste for paleobiologi , tilbyr et kraftig etterforskningsverktøy innen evolusjonær biologi . Ved å sammenligne DNA-sekvenser fra samme art , kan populasjonsgenetikere studere historien til bestemte populasjoner av levende ting, et felt som spenner fra økologisk genetikk til antropologi . Dermed blir studien av mitokondrie-DNA i menneskelige populasjoner brukt til å spore migrasjonene av Homo sapiens . Den haplogruppe X har for eksempel blitt studert paleodemography for å vurdere den mulige slektskap av Paleo-indere med europeiske populasjoner av den øvre Paleolitikum .
( Fr ) fylogenetisk tre understreker de tre områdene i livet: eukaryoter er representert i rødt, archaea i grønt og bakterier i blått.
Kart over menneskelige migrasjoner utledet fra fylogenetiske studier av det menneskelige mitokondriegenomet .
Bioinformatikk innebærer manipulering, forskning og utforsking av biologiske data , som inkluderer DNA- sekvenser . Utviklingen av teknikker for lagring og søking etter DNA-sekvenser har ført til fremskritt i datamaskiner som er mye brukt andre steder, spesielt med hensyn til substringsøkealgoritmer , maskinlæring og databaseteori . De tegnstrengsøkealgoritmer , som gjør det mulig å finne en sekvens av bokstaver som inngår i en sekvens av lengre bokstaver, er blitt utviklet for å søke etter spesifikke sekvenser av nukleotider . DNA-sekvensen kan justeres med andre DNA-sekvenser for å identifisere homologe sekvenser og lokalisere de spesifikke mutasjonene som skiller dem. Disse teknikkene, inkludert justering av flere sekvenser , brukes til å studere fylogenetiske forhold og funksjoner til proteiner .
Datalagre som representerer den komplette sekvensen til et genom, slik som de som produseres av Human Genome Project , vokser til en slik størrelse at de er vanskelige å bruke uten merknadene som identifiserer plasseringen av gener og regulatoriske elementer på dem. Hvert kromosom . Regioner av DNA-sekvenser som har de karakteristiske motivene assosiert med gener som koder for funksjonelle proteiner eller RNA, kan identifiseres ved algoritmer for genetisk prediksjon , som gjør det mulig for forskere å forutsi tilstedeværelsen av bestemte genprodukter og deres mulige funksjon i kroppen. er eksperimentelt isolert. Hele genomer kan også sammenlignes, noe som kan fremheve evolusjonshistorien til bestemte organismer og tillate studiet av komplekse evolusjonære hendelser.
Den DNA nanoteknologi utnytte de unike egenskapene til molekylær gjenkjennelse (en) DNA og mer generelt av nukleinsyrer for å skape forgrenede DNA-kompleksene selv-montert utstyrt med interessante egenskaper. Fra dette synspunktet brukes DNA som et strukturelt materiale snarere enn som en bærer av biologisk informasjon. Dette har ført til opprettelsen av todimensjonale periodiske matriser, enten de er samlet i murstein eller ved prosessen med DNA-origami , eller tredimensjonale med en polyhedral form . DNA- nanomaskiner og konstruksjoner ved algoritmisk selvmontering er også produsert . Slike DNA-strukturer kan brukes til å organisere arrangementet av andre molekyler, slik som gullnanopartikler og streptavidinmolekyler , et protein som danner svært resistente komplekser med biotin . Forskning innen molekylær elektronikk basert på DNA har ført til at Microsoft- selskapet utvikler et programmeringsspråk kalt DNA Strand Displacement (DSD) som brukes i visse utførelser av molekylære nanoelektroniske komponenter basert på DNA.
Siden DNA brukes av levende vesener til å lagre sine genetisk informasjon , er noen forskningsgrupper også studere det som et medium for lagring av digital informasjon på samme måte som datamaskinens minne . De nukleinsyrer ville presentere faktisk fordelen av å lagre informasjonstettheten betydelig høyere enn den for tradisjonelle medier - teoretisk mer enn ti størrelsesordener - med en levetid også mye høyere.
Det er teoretisk mulig å kode to biter av data per nukleotid , slik at lagringskapasiteten nådde 455 millioner terabytes pr gram av DNA enkeltstrengen forbli leselig for flere årtusener selv i ikke-ideelle lagringsbetingelser, og som koder teknikk opp til 215.000 terabytes per gram av DNA ble foreslått i 2017; Til sammenligning inneholder en tosidig dobbeltsidig DVD bare 17 gigabyte for en typisk masse på 16 g - det er 400 milliarder ganger mindre lagringskapasitet per enhetsmasse. Et team fra European Institute of Bioinformatics lyktes således i 2012 med å kode 757.051 byte av 17.940.195 nukleotider , noe som tilsvarer en lagringstetthet på omtrent 2200 terabyte per gram DNA. På sin side publiserte et sveitsisk team i februar 2015 en studie som demonstrerte robustheten til DNA innkapslet i silika som et holdbart informasjonsmedium.
I tillegg jobber andre lag med muligheten for å lagre informasjon direkte i levende celler , for eksempel for å kode tellere på DNA i en celle for å bestemme antall divisjoner eller differensiering , som kan finne applikasjoner innen kreft og aldringsforskning .
DNA ble først isolert i 1869 av sveitsisk biolog Friedrich Miescher som et fosforrikt stoff fra pus av brukte kirurgiske bandasjer. Siden dette stoffet ble funnet i kjernen av celler , Miescher kalte det nuclein . I 1878, tysk biokjemikeren Albrecht Kossel isoleres det ikke- proteinkomponenten av denne "nuclein" - de nukleinsyrene - deretter identifisert fem -nukleinsyre-baser . I 1919, American biologen Phoebus Levene identifiserte bestanddeler av nukleotider , det vil si nærvær av en base for , en ose , og en fosfatgruppe . Han foreslo at DNA besto av en kjede av nukleotider sammenføyd av deres fosfatgrupper. Han mente at kjedene var korte og at basene fulgte hverandre gjentatte ganger i en fast rekkefølge. I 1937 produserte den britiske fysikeren og molekylærbiologen William Astbury det første diffraksjonsmønsteret av DNA ved røntgenkrystallografi , og viste at DNA har en ordnet struktur.
I 1927 intuiterte den russiske biologen Nikolai Koltsov at arv var basert på et "gigantisk arvelig molekyl" bestående av "to speilstrenger av hverandre som ville reprodusere på en semi-konservativ måte ved å bruke hver streng som modell". Imidlertid mente han at dette var proteiner som bar genetisk informasjon. I 1928 gjennomførte den engelske bakteriologen Frederick Griffith et kjent eksperiment som nå bærer hans navn, og som han demonstrerte at levende ikke- virulente bakterier som ble brakt i kontakt med virulente bakterier drept av varme, kunne omdannes til virulente bakterier. Dette eksperimentet banet vei for identifisering i 1944 av DNA som en vektor av genetisk informasjon gjennom eksperimentet til Avery, MacLeod og McCarty . Den belgiske biokjemikeren Jean Brachet demonstrerte i 1946 at DNA er en bestanddel av kromosomer , og rollen til DNA i arvelighet ble bekreftet i 1952 ved eksperimentene med Hershey og Chase som demonstrerte at genetisk materiale av fag T2 består av DNA.
Den første antiparallelle dobbeltspiralstrukturen som i dag ble anerkjent som den riktige modellen for DNA, ble publisert i 1953 av den amerikanske biokjemikeren James Watson og den britiske biologen Francis Crick i en nå klassisk artikkel i tidsskriftet Nature . De jobbet med emnet siden 1951 ved Cavendish Laboratory ved Cambridge University , og opprettholdt som sådan privat korrespondanse med den østerrikske biokjemikeren Erwin Chargaff , opprinnelig av reglene til Chargaff , publisert våren 1952, under hvilke i et DNA-molekyl , nivået av hver av purin -baser er stort sett lik nivået for en av de to pyrimidin -baser , nærmere bestemt graden av guanin er lik den til cytosin og at nivået av adenin er lik den til tymin , som antydet ideen om en paring av adenin med tymin og guanin med cytosin.
I mai 1952 tok den britiske studenten Raymond Gosling , som jobbet under Rosalind Franklin i John Randalls team , et røntgendiffraksjonsbilde ( plate 51 ) av en sterkt hydrert DNA-krystall. Dette øyeblikksbildet ble delt med Crick og Watson uten Franklins kunnskap og var medvirkende til å etablere den rette strukturen til DNA. Franklin hadde også antydet til de to forskerne at strukturens fosforramme måtte være utenfor denne, og ikke i nærheten av sentralaksen slik man trodde da. Hun hadde videre identifisert romklyngen av DNA-krystaller, som gjorde det mulig for Crick å fastslå at de to DNA-strengene var antiparallelle. Mens Linus Pauling og Robert Corey publisert en molekylær modell av en nukleinsyre som er dannet av tre kjeder flettet sammen med, i samsvar med ideene i den tid, de fosfatgruppene i nærheten av midtaksen og nukleinsyrene baser vendt utover, Crick og Watson fullført i februar 1953 deres antiparallelle tokjedede modell med fosfatgruppene på utsiden og kjernebasene inne i dobbel helix, en modell i dag ansett for å være den første riktige DNA-strukturen som noen gang har blitt foreslått.
Dette arbeidet ble publisert i tidsskriftet Nature fra 25. april 1953 gjennom fem artikler som beskriver strukturen som ble avsluttet av Crick og Watson, samt bevisene som støttet dette resultatet. I den første artikkelen med tittelen Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid , Crick and Watson state: “Det har ikke unngått vår oppmerksomhet at den spesifikke sammenkoblingen vi postulerte umiddelbart antyder en mulig mekanisme for replikering av materialet. ”. Denne artikkelen ble fulgt av en publikasjon av britiske Maurice Wilkins et al. undersøkelse av røntgendiffraksjon av B-DNA in vivo , som støttet eksistensen av dobbel helixstruktur i levende celler og ikke bare in vitro , og den første publikasjonen av Franklin og Goslins arbeid med dataene de hadde fått med røntgendiffraksjon og deres egen analysemetode.
Rosalind Franklin døde i 1958 av kreft og mottar derfor ikke Nobelprisen i fysiologi eller medisin som ble tildelt i 1962 , "for deres oppdagelser angående molekylær struktur av nukleinsyrer og deres betydning for overføring av genetisk informasjon i den levende substansen" Francis Crick, James Watson og Maurice Wilkins, som ikke hadde et ord for å kreditere Franklin for sitt arbeid; det faktum at hun ikke var tilknyttet denne Nobelprisen, blir fortsatt diskutert.
I 1957 publiserte Crick et papir som formet det som i dag er kjent som den grunnleggende teorien om molekylærbiologi, ved å beskrive forholdet mellom DNA, RNA og proteiner , artikulert rundt "'adapteren'. Bekreftelsen av modusen for semi-konservativ replikering av dobbeltspiralen kom i 1958 med eksperimentet til Meselson og Stahl . Crick et al. fortsatte sitt arbeid og viste at den genetiske koden er basert på suksessive tripletter av nukleinbaser kalt kodoner , som tillot dekryptering av selve den genetiske koden av Robert W. Holley , Har Gobind Khorana og Marshall W. Nirenberg . Disse funnene markerte fødselen av molekylærbiologi .
DNA-spiralstrukturen har inspirert flere kunstnere, den mest berømte er den surrealistiske maleren Salvador Dalí , som ble inspirert av den i ni malerier mellom 1956 og 1976 , inkludert Paysage de papillon (The Great Masturbator in a Surrealist Landscape with DNA) (1957 -1958) og Galacidalacidesoxyribonucleicacid (1963).
“ Vi gjenvunnet 757 051 byte informasjon fra 337 pg DNA, noe som ga en informasjonslagringstetthet på 2,2 PB / g (= 757 051/337 × 10 −12 ) . Vi bemerker at denne informasjonstettheten er nok til å lagre US National Archives and Records Administration's Electronic Records Archives '2011 totalt på ~ 100 TB i < 0,05 g DNA, Internet Archive Wayback Machines 2 PB arkiv med nettsteder i ~ 1 g av DNA og CERNs 80 PB CASTOR-system for LHC-data i ~ 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. "
“Jeg tror størrelsen på kromosomene i spyttkjertlene [av Drosophila ] bestemmes av multiplikasjonen av genonemer. Jeg betegner med dette begrepet kromosomets aksiale tråd, der genetikere lokaliserer den lineære kombinasjonen av gener; ... I det normale kromosomet er det vanligvis bare ett genonem; før celledeling, er dette genoneme funnet å være delt inn i to tråder. "
“ Butterfly Landscape (The Great Masturbator in Surrealist Landscape with DNA) viser Dalis grep. Selv om dette var den første, opprettet bare noen få år etter Watson og Cricks kunngjøring av dobbeltspiralen, ville DNA dukke opp i mange av Dalis fremtidige verk. Som skapelsesagent er det kanskje lett å se hvorfor sommerfugler kommer fra den ikoniske strukturen i dette maleriet. Men det ser også ut til at Dali brukte DNA for å symbolisere ikke bare skapelsen, men den større ideen om Gud, og dette kan være grunnen til at noe av molekylstrukturen synlig stikker ut fra skyene. "
“Salvador Dali fremkaller sitt forhold til vitenskap, spesielt DNA, som en kilde til inspirasjon for sitt arbeid. Han gir vitenskapen en poetisk dimensjon og omdirigerer den for plastiske formål. Han iscenesetter den og bruker den i tjeneste for sine fantasier og den “paranoide-kritiske” metoden. "