Dezoksiribonukleinska kiselina

„DNA” preusmerava ovde. Za druge upotrebe pogledajte stranicu DNA (višeznačna odrednica).

Struktura dvostrukog heliksa DNK molekula. Atomi su obojeni po elementu. Detaljna struktura dva bazna para je prikazana s desne strane.

Dezoksiribonukleinska kiselina (DNK), nukleinska je kiselina koja sadrži uputstva za razvoj i pravilno funkcionisanje svih živih organizama. Zajedno sa RNK i proteinima, DNK je jedan od tri glavna tipa makromolekula koji su esencijalni za sve poznate forme života. Sva živa bića svoj genetički materijal nose u obliku DNK, sa izuzetkom nekih virusa koji imaju ribonukleinsku kiselinu (RNK). DNK ima veoma važnu ulogu ne samo u prenosu genetičkih informacija sa jedne na drugu generaciju, već sadrži i uputstva za građenje neophodnih ćelijskih organela, proteina i RNK molekula. DNK segment koji prenosi ova važna uputstva se naziva gen.

U eukariotima, organizmima kao što su životinje, biljke, gljive i protiste, najveći broj DNK molekula se nalazi u jedru ćelije, a manji broj je u organelama, kao što su mitohondrije ili hloroplasti. U prokariotima (npr. bakterijama) DNK se nalazi u citoplazmi ćelije. Za razliku od enzima, DNK molekul ne utiče direktno na druge molekule, već različiti enzimi sarađuju sa DNK i realizuju informacije bilo u obliku RNK molekula ili u obliku proteina. Ovakav odnos je deo centralne dogme molekularne biologije.

Ćelije sadrže DNK organizovan u duge strukture koje se zovu hromozomi. Tokom pripreme za ćelijsku deobu hromozomi se dupliraju procesom replikacije DNK, tako da svaka od novonastalih ćelija ima kompletan set hromozoma. U hromozomima, hromatinski proteini, kao što su histoni, organizuju DNK na takav način da molekul postaje veoma kompaktan i može da stane u ćelije koje su na hiljade puta manje od raspletenih DNK molekula. Ove kompaktne strukture uslovljavaju interakcije između DNK i drugih proteina, i pomažu u kontrolisanju delova DNK koji se transkribuju.

DNK je dugačak polimer, sastavljen od manjih jedinica koje se nazivaju nukleotidi. DNK se sastoji od dva polimerna lanca koji imaju antiparalelnu orijentaciju. Međusobno povezani nukleotidi čine skelet DNK molekula formiran od šećera dezoksiriboze i fosfatnih grupa. Ovaj skelet takođe sadrži četiri različite nukleobaze, vezane za dezoksiribozu. Redosled ove četiri baze je osnova kodiranja genetičkog materijala. Informacija se čita koristeći genetički kod, kojim se specificira sekvenca aminokiselina u proteinima. Kod se čita kopiranjem delova DNK u molekule RNK u procesu koji se naziva transkripcija.

Osobine

Struktura DNK (1D65​)

Struktura DNK. Vodonične veze su prikazane isprekidanim linijama

DNK molekul je dugačak polimer koji se sastoji od nukleotida, jedinica koje se ponavljaju. Nukleotidi su veoma male jedinice, međutim, DNK molekul se sastoji od miliona nukleotida, što ga čini veoma dugim. Najveći ljudski hromozom se sastoji od 440 miliona nukleotida, odnosno 220 miliona parova. Baza koja je povezana sa šećerom naziva se nukleozid, dok baza koja je povezana sa šećerom i jednom ili više fosfatnih grupa se naziva nukleotid. Kada je više nukleotida međusobno povezano, kao npr. u DNK molekulu, taj polimer se onda naziva polinukleotidni lanac.

Votson i Krik su 1953. pokazali da je u živim organizmima DNK molekul sastavljen od dva polinukleotidna lanca koji su spiralno uvijeni jedan oko drugog. Za to otkriće su nagrađeni Nobelovom nagradom. Vertikalna dužina svakog obrtaja spirale je 34 angstrema (3,4 nm) i prečnik je 10 angstrema (1,0 nm). Prema jednoj drugoj studiji, kada se merenje izvrši u određenom rastvoru DNK lanac je 22 do 26 širok angstroma (2,2 do 2,6 nm), i jedna nukleotidna jedinica doprinosi dužini sa 3,3 Å (0,33 nm).

Šećer u DNK molekulu je pentoza (nazvan tako jer sadrži pet ugljenikovih atoma) 2-dezoksiriboza (RNK molekul se sastoji od šećera riboze, otuda i pun naziv ribonukleinska kiselina). Šećeri su međusobno povezani fosfatnim grupama koje stvaraju fosfodiestarsku vezu između trećeg i petog ugljenikovog atoma šećernog prstena. Fosfodiestarske veze su asimetrične, te DNK polinukleotidni lanci imaju smer. Kako ovi lanci idu u suprotnim smerovima, kaže se da je DNK antiparalelna. Asimetrični krajevi DNK baza se označavaju sa 5' (pet prim) i 3' (tri prim). Antiparalelnost znači da jedan lanac ide u smeru 5'→ 3', dok suprotni lanac ide u smeru 3'→ 5'. Spiralni lanac koji čini DNK se održava u tom obliku pomoću vodoničnih veza između parova baza. U DNK molekulu postoje četiri baze Adenin (A), Citozin (C), Guanin (G) i Timin (T):

Adenin	Guanin	Timin	Citozin

Hemijske strukture četiri baze koje čine DNK molekul.

Četiri baze su međusobno komplementarne: adenin (A) jednog lanca je uvek u paru sa timinom (T) naspramnog lanca, i povezani su dvema vodoničnim vezama. Guanin (G) jednog lanca je uvek u paru sa citozinom (C) naspramnog lanca, i povezani su trima vodoničnim vezama. Svaki par baza rotira u odnosu na susedni za 36°, tako da svaki obrtaj spirale dva polinukleotidna lanca čine deset parova baza (A-T i G-C). Polinukleotidni lanci rotiraju u pravcu suprotnom od kazaljki na satu.

Baze su podeljene u dve grupe — purinske (adenin i guanin) i pirimidinske (citozin i timin). Uracil (U) baza koja se nalazi u RNK molekulu i koja zamenjuje timin, pripada pirimidinskoj grupi. Jedina razlika između timina i uracila je nedostatak jedne metil-grupe kod uracila. Uracil je standardna baza RNK molekula, i ne postoji kao takva u DNK molekulu. Jedini, trenutno poznati, izuzetak je bakterijski virus PBS1 koji u svom DNK molekulu ima uracil kao sastavnu bazu. Osim RNK i DNK veliki broj veštačkih analoga nukleinskih kiseline je kreiran radi studiranja osobina nukleinskih kiselina, kao i za primenu u biotehnologiji.

Žlebovi

Veliki i mali žleb DNK. Mali žleb je mesto gde se vezuje boja Hehst 33258

Dva komplementarna heliksna lanca formiraju osnovu DNK molekula. Prepoznatljiv je i dvostruki heliks koji prati otvore, ili žlebove, između lanaca. Ta udubljenja su neposredno pored parova baza, te mogu da služe kao mesta vezivanja proteina i malih molekula. Pošto lanci nisu direktno nasuprot jedan drugom, žlebovi nemaju jednaku veličinu. Veliki žleb je 22 Å širok, dok mali žleb ima 12 Å. Postoji niz izuzetaka, prvenstveno u slučajevima neobičnih DNK konformacija. Nazivi veliki i mali žleb se uvek odnose na razlike u veličini udubljenja kad je DNK u običnoj B formi.

Baze malog žleba su na podesnijem rastojanju za vezivanje liganda, nego baze velikog žleba. Iz tog razloga, proteini poput transkripcionih faktora koji se vezuju za specifične sekvence dvostrukog DNK heliksa obično formiraju vodonične veze sa izloženim stranama baza malog žleba.

Denaturacija i hibridizacija DNK

Sekundarna struktura DNK je podložna denaturaciji. Pod denaturacijom se podrazumeva narušavanje sekundarne strukture tako da se dvolančani DNK molekul razdvaja na dva polinukleotidna lanca. Pod odgovarajućim uslovima može doći do renaturacije, tj. do ponovnog spajanja komplementarnih lanaca DNK. Procesi denaturacije i renaturacije odigravaju se i u ćeliji pod kontrolisanim uslovima i u ograničenom obimu. Ti procesi predstavljaju neophodan preduslov za normalno funkcionisanje DNK, odnosno za njenu replikaciju i transkripciju.

Kada se u rastvoru nađu dva polinukleotidna lanca koji imaju komplementarne redoslede nukleotida, nagradiće se hibridni dvolančani molekul. Denaturisana DNK može da hibridizuje sa denaturisanom DNK iste ili različite vrste, ili sa RNK. Hibridizacija je našla veoma široku primenu u istraživanjima u molekularnoj biologiji i predstavlja jednu od osnovnih tehnika genetičkog inženjeringa.

Sparivanje baza

Antiparalelnost dva polinukleotidna lanca DNK molekula

Gore, GC bazni par sa tri vodonične veze. Dole, AT bazni par sa dve vodonične veze. Nekovalentne veze između parova su prikazane isprekidanim linijama.

Svaka baza jednog lanca se sparuje samo sa jednom bazom na naspramnom lancu. Ovakvo sparivanje se naziva komplementarno sparivanje. Purin se sparuje sa pirimidinom vodoničnim vezama, te se A sparuje samo sa T (dvema vodoničnim vezama) i C samo sa G (sa tri vodonične veze). Kako vodonične veze nisu kovalentne, one se lako raskidaju i lako ponovo formiraju. Ove veze se raskidaju ili mehaničkim silama (npr. tokom replikacije) ili visokom temperaturom. Dve vodonične veze se lakše raskidaju od tri. Ovaj podatak je bitan ako sekvenca DNK molekula nije unapred poznata. Kad je sekvenca DNK molekula nepoznata, u molekularnoj biologiji se između ostalog primenjuje tehnika koja koristi temperaturu. Što je temperatura viša, to se DNK molekul teže raskida, te se može pretpostavi da taj molekul DNK ima veliki broj C i G baza (i.e. visok GC-sadržaj). DNK sa visokim GC-sadržajem je stabilnija od DNK sa niskim GC-sadržajem.

Direktna posledica nukleotidne komplementarnosti je da su informacije u dvolančanoj sekvenci DNK heliksa duplirane, što je vitalno za replikaciju molekula. Ova reverzibilna i specifična interakcija između komplementarnih parova baza je kritična za sve funkcije DNK u živim organizmima.

Kao što je gore napomenuto, većina DNK molekula se sastoji od dva polimerna lanca, spojena u heliksnu strukturu nekovalentnim vezama. Ova dvolančana struktura (dsDNA) se u znatnoj meri održava posredstvom interakcija međulančanog slaganja baza, koje se najjače za G,C stekove. Dva lanca se mogu razdvojiti u procesu poznatom kao topljenje, čime se formiraju dva molekula (ssDNA). Do topljenja dolazi kad su uslovi podesni, kao što su visoke temperature, niske koncentracije soli i visoke pH vrednosti (nizak pH takođe otapa DNK, ali pošto je DNK nestabilna usled denaturacije kiseline, nizak pH se retko koristi).

Stabilnost dsDNA forme zavisi ne samo od GC-sadržaja (% G,C baznih parova) nego i od sekvence (pošto je formiranje stekova zavisno od nje), kao i od dužine (duži molekuli su stabilniji). Stabilnost se može meriti na različite načine. Uobičajen pristup je merenje temperature topljenja (ona se još naziva T_m vrednost), što je temperatura na kojoj se 50% dvolančanih molekula konvertuje u jednolančane molekule. Nastali jednolančani DNK molekuli nemaju jedinstven zajednički oblik, mada su neke konformacije stabilnije od drugih. Temperatura topljenja je zavisna od jonske snage i DNK koncentracije. Konsekventno, GC sadržaj i dužina dvostrukog DNK lanca određuju jačinu asocijacije između lanaca. Dugi DNK heliksi sa visokim GC sadržajem imaju lance sa jačim interakcijama, dok kratki heliksi sa visokim AT sadržajem imaju lance sa slabijim interakcijama. U biologiji, delovi DNK dvostrukih heliksa koji se lako razdvajaju, kao što je TATAAT Pribnov-kutija u nekim promoterima, teže da imaju visok AT sadržaj.

Smisao i antismisao

Šematski prikaz načina na koji antismisaoni DNK lanci mogu da ometaju proteinsku translaciju.

DNK sekvenca se naziva smisaonom (engl. sense) (negativna (-)), ako je njena sekvenca ista kao i sekvenca iRNK kopije koja se translira u protein. Komplementarna sekvenca suprotnog lanca se naziva antismisaona (pozitivna (+)') sekvenca. Obe sekvence mogu da postoje na različitim delovima istog DNK lanca (i.e. oba lanca mogu da sadrže obe smisaone i antismisaone sekvence). Ponekad se fraza kodirajući lanac sreće. Međutim, kodirajuća i nekodirajuća RNK mogu da budu transkribovane na sličan način sa oba lanca. U nekim slučajevima do transkripcije dolazi u oba pravca počevši od zajedničkog promoterskog regiona, ili do transkripcije može doći unutar introna, na oba lanca.

Kod prokariota i eukariota, antismisaone RNK sekvence se formiraju, mada funkcija tih molekula nije potpuno jasna. Jedna od pretpostavki je da antismisaoni RNK molekuli učestvuju u regulaciji ekspresije gena putem RNK-RNK sparivanja baza.

Kod malog broja DNK sekvenci prokariota u eukariota, i nešto većeg broja plazmida i virusa, razlika između smisaonih i antismisaonih lanaca je zamagljena preklapanjem gena. U tim slučajevima, neke DNK sekvence imaju dvostruku ulogu. One kodiraju jedan protein kad se čitaju duž jednog lanca, i drugi protein kad se čitaju u suprotnom pravcu duž drugog lanca. Kod bakterija, ovo preklapanje može da učestvuje u regulaciji transkripcije gena, dok kod virusa, preklapajući geni povećavaju količinu informacije koja može da bude kodirana unutar malog viralnog genoma.

Pakovanje DNK molekula u ćelijama

DNK obavijen oko histona — nukleozoma

Nukleozom
Kristalna struktura nukleozoma. Proteinske komponente su H2A , H2B , H3 i H4 . Pogled je odozgo kroz superheliksnu osu. (1KX5 1KX5​)
Identifikatori
Simbol	Histone
Pfam	PF00125
Pfam klan	CL0012
InterPro	IPR007125
SKOP	1hio
Dostupne PDB strukture: 1eqz​, 1f66​, 1hq3​, 1id3​, 1kx3​, 1kx4​, 1kx5​, 1m18​, 1m19​, 1m1a​, 1p34​, 1p3a​, 1p3b​, 1p3f​, 1p3g​, 1p3i​, 1p3k​, 1p3l​, 1p3m​, 1p3o​, 1p3p​, 1q9c​, 1s32​, 1tyz​, 1u35​, 2aro​, 2cv5​, 2hio​

Gotovo kod svih prokariota, DNK je kružni molekul sagrađen od dva spiralno uvijena polinukleotidna lanca. Kod eukariota organizacija DNK molekula je nešto komplikovanija. DNK molekul je veoma dugačak, u proseku do 1,8 m. Molekul te dužine mora da stane u ćelije koje su veoma male i ne mogu da se vide golim okom. Ćelije moraju da veoma kompaktno spakuju DNK molekul. To omogućavaju proteinima koji se zovu histoni.

Histoni su mali, veoma bazni proteini, bogati amino kiselinama kao što su lizin i arginin. Oni su glavne proteinske komponente hromatina, koje deluju kao kalemi oko kojih se namotava DNK. Oni učestvuju u regulaciji genske aktivnosti. Bez histona, nesavijena DNK u hromozomima bi bila veoma dugačka (odnos dužine i širine je veći od 10 miliona kod ljudske DNK). DNK namotana na histone proizvodi oko 90 mikrometara (0.09 mm) hromatina, koji se duplira i kondenzuje tokom mitoze, dajući oko 120 mikrometara hromozoma.

U eukariotskim ćelijama je postoji pet tipova histona: H1, H2A, H2B, H3 i H4. Histoni su u direktnom kontaktu sa DNK molekulom. Osam histona (po dva H2A, H2B, H3, H4), stvaraju strukture koje izgledaju kao disk. Struktura DNK molekula obavijenog oko diska se naziva nukleozom. Oko svakog diska DNK molekul se obavije 1,65 puta, u dužini od 147 baznih parova (A-T i C-G), formirajući levoruki superheliksni namotaj. Tako uvijeni DNK molekul se obavije oko preostalog histona H1, koji ne formira strukturu u obliku diska, već služi samo kao veza do sledećeg diska (izgrađenog od gorepomenutih histona) i ponovo se obavija oko sledećeg diska. Histon H1 omogućava formiranje strukture višeg reda. Najosnovnija takva formacija je vlakno prečnika 10 nm. Gledano kroz mikroskop sveukupna ovakva struktura izgleda kao perlana ogrlica. Ovo uključuje pakovanje DNK oko nukleozoma sa oko 50 baznih parova između njih (ti segment se nazivaju linker DNK).

Osnova nukleozoma je formirana od dva H2A-H2B dimera i H3-H4 tetramera. Oni formiraju dve skoro simetrične polovine tercijarne strukture, sa C2 simetrijom, gde je jedan makromolekul slika u ogledalu drugog molekula. Četiri osnovna histona (H2A, H2B, H3 i H4) imaju relativno slične strukture i visoko su očuvani tokom evolucije. Svi imaju heliks obrt heliks obrt heliks motiv (koji omogućava laku dimerizaciju). Oni isto tako imaju duge repove na jednom od krajeva aminokiselinskog lanca, na kojima dolazi do niza posttranslacionih modifikacija.

Smatra se da su histonski proteini evoluciono srodni sa heliksnim delom produženog AAA+ ATPaznog domena, C-domena, i sa N-terminusnim domenom prepoznavanja supstrata Clp/Hsp100 proteina. Uprkos razlikama u njihovoj topologiji, oni imaju homologan heliks-ravan-heliks (HSH) motiv.

Koristeći tehniku spin-obeležene elektronske paramagnetne rezonance, Britanski istraživači su izmerili rastojanje između namotaja oko kojih eukariotske ćelije namotavaju svoju DNK. Utvrđeno je da su rastojanja u opsegu od 59 do 70 Å.

Histoni formiraju pet tipova interakcija sa molekulom DNK:

• Heliksni dipoli sa alfa heliksa u H2B, H3, i H4 uzrokuju akumulaciju pozitivnog naelektrisanja na tačkama interakcije sa negativno naelektrisanim fosfatnim grupama DNK
• Vodonične veze između DNK osnove i amidnih grupa na glavnom lancu histonskih proteina
• Nepolarne interakcije između histona i šećera dezoksiriboze na DNK molekulu
• Soni mostovi i vodonične veze između bočnih lanaca baznih aminokiselina (posebno lizina i arginina) i fosfatnih kiseonika DNK
• Nespecifična umetanja H3 i H2B N-terminusnih repova u male žlebove DNK

Visoko bazna priroda histona, osim što omogućava DNK—histon interakcije, doprinosi njihovoj rastvorljivosti u vodi.

Superspiralizacija

Superspiralizovane strukture kružnih DNK molekula sa malim uvrtanjem

Superspiralizovane strukture linearnih DNK molekula sa ograničenim završecima

DNK može da bude uvijena poput kanapa procesom koji se naziva superspiralizacija DNK. Kad je DNK u svom „opuštenom” stanju, lanci obično obiđu osu dvostrukog heliksa jednom svaka 10,4 bazna para, dok ako je DNK upredena lanci postaju više ili manje zbijeni. Kada je DNK upredena u pravcu heliksa, u pitanju je pozitivna superspiralizacija i baze su bliže jedna drugoj. Ako je DNK upredena u suprotnom pravcu (negativna superspiralizacija), baze se lakše rastavljaju. U prirodi, DNK je najčešće blago negativno superspiralizovana. To se ostvaruje enzimima koji se zovu topoizomeraze. Ti enzimi su isto tako potrebni za otpuštanje naprezanja usled DNK uvijanja nastalog tokom procesa transkripcije i replikacije DNK.

Hromozomi mogu da budu veoma veliki, te središnji segmenti mogu da se ponašaju kao da su krajevi učvršćeni. Rezultat toga je da oni ne mogu da raspodele suvišne namotaje na ostatak hromozoma, ili da apsorbuju zavijanje da bi se oporavili od odvijanja, te segmenti mogu da postanu superspiralizovani. U odgovoru na superspiralizaciju oni će biti izloženi naprezanju, kao da su krajevi spojeni.

Superspiralizacija DNK je važna za njeno pakovanje unutar ćelija. Dužina nespiralizovane DNK je hiljadama puta veća od dužine ćelije, te je pakovanje genetičkog materijala unutar ćelije ili jedra (kod eukariota) kompleksan zadatak. Superspiralizacija DNK redukuje potrebni prostor i omogućava pakovanje znatno veće količine DNK. Kod prokariota, plektonemski supernamotaji su predominantni, zato što je hromozom najčešće kružnog oblika i sadrži relativno malu količinu genetičkog materijala. Superspiralizacija DNK kod eukariota se javlja na više nivoa plektonemskih i solenoidnih supernamotaja, pri čemu se solenoidna superspiralizacija pokazuje najefektivnijom u zbijanju DNK molekula. Solenoidna superspiralizacija se ostvaruje putem histona i formira se vlakno prečnika 10 nm. Ovo vlakno se dalje namotava u 30 nm široko vlakno, koje se dalje namotava na samo sebe više puta.

DNK pakovanje se odvija u znatno povećanoj meri tokom deobe jedra u procesima mitoze ili mejoze, pri kojim se DNK mora podeliti i sažeti u novonastalim ćelijama. Kondenzini i kohezini su proteini za strukturno održavanje hromozoma koji pomažu u kondenzaciji hromatida i vezivanju njihovih centromera. Ti proteini indukuju pozitivnu superspiralizaciju.

Alternativne DNK strukture

A-DNK struktura

A-, B-, i Z-DNK

Heliksne ose A-, B-, i Z-DNK

DNK može da postoji u mnoštvu mogućih konformacija među kojima su A-DNK, B-DNK, i Z-DNK forme, mada su jedino B-DNK i Z-DNK direktno primećene u funkcionalnim organizmima. Konformacija koju DNK poprima zavisi od nivoa hidratacije, DNK sekvence, količine i pravca supernamotavanja, hemijskih modifikacija baza, tipa i koncentracije metalnih jona, kao i prisustva poliamina u rastvoru.

Prvi objavljeni izveštaji o Rendgenskoj strukturi A-DNK i B-DNK formi su koristili analizu baziranu na Patersonovoj transformaciji koja daje samo ograničenu količinu strukturne informacije o orijentaciji DNK vlakana. Jedan alternativni analitički pristup su predložili Vilkins et al. 1953, za in vivo B-DNK difrakciju X-zraka/rasporeda maksimuma rasejavanja visoko hidratisanih DNK vlakana baziran na kvadratima Baselovih funkcija. U istom žurnalu, Džejms D. Votson i Fransis Krik su objavili njihovu analizu molekulskog modelovanja DNK difrakcionih obrazaca X-zraka i predložili strukturu dvostrukog heliksa.

Mada je B-DNK forma najčešća pod uslovima koji vladaju u ćelijama, ona nije dobro definisana konformacija nego je familija srodnih DNK konformacija koja se javlja pri visokim nivoima hidratacije prisutnim u živim ćelijama. Njihovi odgovarajući rendgenski difrakcioni obrasci rasipanja su karakteristični za molekulske parakristale sa znatnim stepenom nereda.

U poređenju sa B-DNK, A-DNK forma je šira desnoruka spirala, sa plitkim, širokim glavnim žlebom i užim, dubljim malim žlebom. A forma se javlja pod nefiziološkim uslovima u parcijalno dehidratisanim DNK uzorcima, dok se u ćeliji može formirati pri hibridnom sparivanju DNK i RNK lanaca, kao i u enzim-DNK kompleksima. Segmenti DNK gde su baze hemijski modifikovane metilacijom mogu da podlegnu većim konformacionim promenama i da poprime Z formu. Ovde, lanci formiraju levoruku spiralu oko heliksne ose, što je suprotno uobičajenoj B formi. Te neobične strukture se mogu prepoznati po specifičnim Z-DNK vezujućim proteinima. One mogu da učestvuju u regulaciji transkripcije.

Alternativna DNK hemija

Elektronska mikrografija soja bakterija GFAJ-1 uzgojenog na arsenu

Spekulativna struktura arsenične DNK

Tokom dužeg niza godina egzobiolozi su predlagali postojanje jedne alternativne biosfere koja koristi radikalno različite biohemijske i molekulske procese nego trenutno poznate životne forme. Jedna od pretpostavki je bila postojanje životnog oblika koji koristi arsenik umesto fosfora u DNK.

Na jednoj konferenciji za štampu NASA je decembra 2010. izjavila da bakterija GFAJ-1, koja je evoluirala u okruženju bogatom u arseniku, prva zemaljska životna forma koja možda ima tu sposobnost. Bakterija je nađena u jezeru Mono, istočno od Josemitskog nacionalnog parka. GFAJ-1 je štapićasta ekstremofilna bakterija iz familije Halomonadaceae, koja u odsustvu fosfora možda ima sposobnost inkorporisanja obično otrovnog elementa arsena u svoj DNK. Ovo otkriće ide u prilog dugogodišnjoj ideji da bi vanzemaljski život možda mogao da ima različitu biohemijsku osnovu od života na Zemlji. Istraživanja je izveo tip predvođen Felisom Volf-Simon, koja je geomikrobiolog i geobiohemičar na NASA astrobiološkom institutu pri Državnom univerzitetu Arizone.

Ovaj nalaz je naišao na jak kriticizam u naučnoj zajednici. Naučnici tvrde da nema dokaza da je arsenik zapravo inkorporiran u biomolekule. Mikrobiolog Johan Hajder je kritikovao prezentovane rezultate studije. On je uputio na moguće greške u merenju kao i na pogrešnu interpretaciju rezultata studije. Po njemu je, u originalnoj publikaciji autora pomenuto zagađenje uzoraka ostacima fosfata, koji su verovatno prisutni u dovoljnoj količini za osnovno snabdevanje bakterija. Nezavisno potvrđivanje ovog do sad nije bilo moguće.

Kvadrupleksne strukture

3D struktura intramolekularnog ljudskog telemernog G-kvadrupleksa u kalijumskom rastvoru (2HY9​). Osnova je prikazana kao cev. Centar strukture sadrži tri nivoa G-tetrada. Vodonične veze u tim slojevima su predstavljene kao plave isprekidane linije.

DNK kvadrupleks formiran od telomernih ponavljanja. Konformacija DNK osnove se znatno razlikuje od tipičnog DNK heliksa.

Struktura G-kvadrupleksa. Levo: G-tetrada. Desno: intramolekulski G-kvadrupleks

Šematski prikaz trolančane DNK.

Na krajevima linearnih hromozoma su specijalizovani regioni DNK koji se nazivaju telomere. Glavna funkcija tih regiona je da se omogući ćeliji da replikuje krajeve hromozoma koristeći enzim telomerazu, pošto enzimi koji normalno replikuju DNK ne mogu da kopiraju ekstremne 3’ krajeve hromozoma. Ti specijalizovani hromozomski završeci takođe pomažu u zaštiti DNK krajeva, i sprečavaju sisteme za popravku DNK u ćeliji da ih tretiraju kao oštećenja koja treba popravljati. U ljudskim ćelijama, telomere su obično segmenti jednolančane DNK koji se sastoje od nekoliko hiljada ponavljanja jednostavne TTAGGG sekvence.

Ove guaninom bogate sekvence mogu da stabilizuju hromozomske krajeve formiranjem struktura svežnjeva jedinica sa četiri baze, umesto uobičajenih baznih parova DNK molekula. Ovde, četiri guaninske baze formiraju ravnu površinu, i te ravne četvorobazne jedinice se zatim slažu jedna na drugu da formiraju stabilne G-kvadrupleksne strukture (G-tetrade G4-DNK). Ove strukture su stabilizovane vodoničnim vezivanjem između baza i helacijom metalnog jona u centru svake četvorobazne jedinice. Niz drugih strukture se može formirati, sa centralnim setom od četiri baze koje dolaze bilo iz jednog lanca savijenog oko baza, ili nekoliko različitih paralelnih lanaca, pri čemu svaki doprinosi jednu bazu centralnoj strukturi.

Osim ovih stekovanih struktura, telomere isto tako formiraju strukture sa velikim petljama koje se nazivaju telomerne petlje, ili T-petlje. Ovde se jednolančana DNK sklupča u veći krug stabilizovanom proteinima koji se vezuju za telomere. Na samom kraju T-petlje, jednolančana telomerna DNK je spojena sa regionom dvolančane DNK tako što telomerni lanac delom remeti strukturu DNK dvostrukog heliksa i bazno se sparuje sa jednim od dva lanca. Ova trolančana struktura se naziva deplasmanska petlja ili D-petlja.

Kvadrupleksi se javljaju ne samo u telomerama, nego i na drugim lokacijama. Na primer, za protoonkogen c-myc je pokazano da formira kvadrupleks u nukleaznom hipersenzitivnom regionu, koji je kritičan za aktivnost gena. Nakon tog inicijalnog otkrića, za mnoge druge gene je nađeno da imaju G-kvadruplekse u njihovim promoterskim regionima. Neki od njih su živinski β-globinski gen, ljudska ubikvitinska ligaza RFP2 i protoonkogeni c-kit, bcl-2, VEGF, H-ras}- и N-ras.

Идентификација и предвиђање секвенци које имају способност формирања квадруплекса је важан корак у разумевању њихове улоге. Генерално једноставни обрасци се користе за претрагу могућих квадруплекс формирајућих секвенци: d(G₃₊N_1-7G₃₊N_1-7G₃₊N_1-7G₃₊), при чему је N база (укључујући гуанин). Ово правило је нашло широку примену у онлајн алгоритмима.

Прегледи целокупног генома базирани на правилу налажења квадруплекса су идентификовали 376.000 могућих квадруплексних секвенци (PQS) у људском геному. Знатан број њих се вероватно не формира ин виво. Једна слична студија је идентификовала могуће Г-квадруплекс код прокариота. Постоји више модела који објашњавају како квадруплекси могу да контролишу активност гена. Један модел показује да формирање Г-квадруплекса на или близо промотера блокира транскрипцију гена, и тиме га деактивира. У једном другом моделу квадруплекс формиран на некодирајућем ДНК ланцу помаже у одржавању отворене конформације кодирајућег ДНК ланца, те поспешује експресију респективног гена.

Један начин индуковања или стабилизовања Г-квадруплексних формација, је увођење молекула који се могу везати за Г-квадруплексне структуре. Познати су бројни лиганди, мали молекули и протеини који имају ту способност. Знатан број протеина који се јавља у природи се селективно везује за Г-квадруплексе. Међу њима су хеликазе, које су имплициране у Блумов и Вернеров синдром, и протеин RAP1 из Saccharomyces cerevisiae. Развијен је протеин са доменом цинковог прста који се назва Gq1, као и специфична антитела.

Познато је да се катјонски порфирини везују за Г-квадруплексе, као и молекул теломестатин.

Разграната ДНК

Једна грана	Вишеструко гранање

Разграната ДНК може да формира мрежу која се састоји од више грана.

До ДНК крзања долази кад некомплементарни региони постоје на једном или оба краја иначе комплементарне дволанчане ДНК. Разграната ДНК се може јавити ако се уведе трећи ДНК ланац који има способност хибридизације са отвореним ДНК сегментима дволанчане ДНК. Најједноставнији пример разгранавања је троланчана ДНК. Комплекси са додатним ланцима и вишеструким гранањем су такође познати. Разграната ДНК налази примену у нанотехнологији.

Тест разгранате ДНК је тест амплификације сигнала (за разлику од теста амплификације биолошке мете) који се користи за детектовање молекула нуклеинских киселина. Овај тест се може користити за детектовање и квантификацију многих типова РНК или ДНК. У тесту се разграната ДНК помеша са тестираним узорком. Детекција се врши користећи нерадиоактивни метод. Претходна амплификација нуклеинске киселине није неопходна. Тест је у потпуности завистан од хибридизације. Ензими се користе за одређивање степена хибридизације, али се не користе за манипулацију нуклеинских киселина. Мале количине нуклеинске киселине се могу детектовати и квантификовати без корака реверзне транскрипције (у случају РНК) и/или PCR. Тест је подесан за употребу у високо проточном моду, за разлику од квантитативног Northern-blota или теста РНК протекције.

Вибрације

ДНК може да изводи ниско фреквентно колективно кретање. Оно се може мерити Рамановом спектроскопијом и анализирати применом модела квази континуума.

Модификације

Модификације база

Цитозин	5-метилцитозин	Тимин

Структура цитозина са и без 5-метил групе. Деаминација конвертује 5-метилцитозин у тимин.

5-метилација цитозина Deamination of 5-methylcytosine to thymine

Илустрација ДНК молекула који је метилисан на два централна цитозина. ДНК метилација има важну улогу у епигенетичкој регулацији гена током развоја и болести.

Експресија гена је зависна од начина на који је ДНК пакована у хромозомима, у структурама званим хроматини. Модификације база могу да утичу на паковање. Региони који имају низак ниво или одсуство експресије обично садрже високе нивое метилације цитозинских база. На пример, цитозинска метилација, производи 5-метилцитозин, који је важан за инактивацију X-хромозома.

Просечни нивои метилације варирају између организама. Црв Caenorhabditis elegans не испољава цитозинску метилацију, док кичмењаци имају високе нивое. До 1% њихове ДНК садржи 5-метилцитозин.

ДНК метилација је кључни део нормалног развоја организма и ћелијске диференцијације виших организама. ДНК метилација стабилно мења обрасце генског изражавања у ћелијама тако да оне могу да „запамте где су биле” или да умање експресију гена. На пример, ћелије програмиране да буду Лангерхансова острвца током ембрионског развоја остају Лангерхансова острвца током животног века организма. ДНК метилација се типично уклања током формирања зигота и поново успоставља током накнадног ћелијског развоја. Недавна истраживања су показала да се метил групе заправо не уклањају у зиготима, него да долази до хидроксилације метил група. Неке метилационе модификације које регулишу експресију гена су наследне и то се назива епигенетичком регулацијом. ДНК метилација супресује изражавање виралних гена и других штетних елемената који су били инкорпорирани у геном домаћина током времена. ДНК метилација је исто тако основа хроматинске структуре, која омогућава ћелијама да поприме велики број карактеристика неопходних за мултицелуларни живот полазећи од једне непроменљиве ДНК секвенце.

ДНК метилација у позицији 5 цитозина има специфичан ефекат редуковања генске експресије и нађена је код свих кичмењака. У соматском ткиву одраслих особа, ДНК метилација се типично јавља у CpG динуклеотидном контексту, док је у ембрионским матичним ћелијама тренд супротан.

ДНК метилација је од пресудне важности у развоју скоро свих типова канцера. Упркос важности 5-метилцитозина, може доћи до деаминације чиме се формира база тимин, тако да су метилисани цитозини посебно склони мутацијама. Аберантни обрасци ДНК метилације су везани за велики број људских малигности и групишу се у две дистинктне форме: хиперметилација и хипометилација у односу на нормално ткиво. Хиперметилација је једна од главних епигенетичких модификација које репресују транскрипцију путем промотерског региона тумор супресивних гена. Хиперметилација се типично јавља на CpG острвима у промотерском региону те производи инактивацију гена. Глобална хипометилација је била имплицирана у развој и прогрес канцера путем различитих механизама.

Модификације других база су метилација аденина код бактерија, присуство 5-хидроксиметилцитозина у мозгу, и гликозилација урацила којом се формира „Ј-база” у кинетопластидима.

Оштећења

Ковалентни додатак метаболички активиране форме бензо[а]пирена, главног мутагена дуванског дима, у ДНК (1JDG​)

ДНК може да буде оштећена многим врстама мутагена, који мењању ДНК секвенцу. Мутагени обухватају оксидационе агенсе, алкилирајуће агенсе, као и електромагнетну радијацију високе енергије, попут ултраљубичастог светла и X-зрака. Тип произведеног ДНК оштећења зависи од типа мутагена. На пример, UV светло може да оштети ДНК формирањем тиминских димера, који су међусобно повезани између пиримидинских база. С друге стране, оксиданси попут слободних радикала или водоник пероксида производе вишеструке форме оштећења, као што су модификације база, посебно гуанозина, и прекиди двоструких ланаца. Типична људска ћелија садржи око 150.000 база које су подлегле оксидативним оштећењима. Међу тим оксидативним озледама, најопаснији су прекиди двоструких ланаца, јер се они тешко поправљају и могу да произведу генске мутације, генетичка уметања и делеције из ДНК секвенце, као и хромозомске транслокације.

Интеркалацијом индуковане структурне дисторзије

Многи мутагени се уклапају у простор између два суседна базна пара. То се назива интеркалација. Већина интеркалатора су ароматични и планарни молекули. Примери су етидијум бромид, акридини, дауномицин, и доксорубицин. Да би интеркалатор могао да се уклопи између пара база, оне се морају раздвојити. Стога долази до дисторзије ДНК ланаца путем одвијања двоструког хеликса. Тиме се инхибирају транскрипција и репликација ДНК, што узрокује токсичност и мутације. Резултат је да ДНК интеркалатори могу да буду карциногени, и у случају талидомида, тератогени. Други, попут бензо[а]пирен диол епоксида и афлатоксина, формирају ДНК адукте који индукују грешке у репликацији. Упркос томе, услед њихове способности да инхибирају ДНК транскрипцију и репликацију, група сличних токсина се такође користе у хемотерапији за инхибирање брзог раста ћелија канцера.

Мутације

Илустрација пет типова хромозомских мутација

Мутације могу да узрокују дуплирање великих делова ДНК, обично путем генетичке рекомбинације. Та дуплирања су главни извор полазног материјала за еволуцију нових гена. Од неколико десетина до неколико хиљада гена се дуплира у животињском геному сваких милион година. Већина гена припада већим фамилијама гена са заједничким наслеђем. Нови гени настају на неколико начина. До тага најчешће долази путем дупликације и мутације наслеђених гена, или рекомбинацијом делова различитих гена чиме се формирају комбинације са новим функцијама.

Овде, домени делују као модули, сваки од којих има специфичну и независну функцију. Њихове комбинације могу да произведу гене који кодирају нове протеине са јединственим особинама. На пример, очи човека користе четири гена за формирање структура које реагују на светло: три за распознавање боја и један за ноћни вид. Сва четири су настала од заједничког предачког гена. Још једна предност дуплирања гена (или чак целокупног генома) је да то повећава редундантност. Тиме се омогућава једном гену да у пару поприми нову функцију, док друга копија има оригиналну функцију. Други типови мутација понекад креирају нове гене из претходно некодирајуће ДНК.

Промене у броју хромозома могу да обухвате мутације још већих размера, при којима се ДНК сегменти хромозома одвајају и затим преуређују. На пример, код раних хоминина, два хромозома су спајањем дала људски хромозом 2. Та фузија се није јавила у родовима других човеколиких мајмуна, те су код њих та два хромозома засебна. У еволуцији, најважнија последица таквих хромозомска реаранжмана јесте убрзање дивергенције популација у нове врсте путем умањивања вероватноће укрштања између популација.

Секвенце ДНК које могу да се померају у геному, попут транспозона, сачињавају главну фракцију генетичког материјала биљки и животиња, и сматра се да су биле важне у еволуцији генома. На пример, више од милион копија Alu секвенце је присутно у хуманом геному, и те секвенце поседују функције као што је регулација генске експресије. Још један ефекат тих мобилних ДНК секвенци је да њихово померање унутар генома може да проузрокује мутације или делеције постојећих гена, те оне стога доприносе генетичкој разноврсности.

Нелеталне мутације се акумулирају унутар генског фонда и увећавају количину генетичке варијабилности. Обиље неких генетичких промена унутар генског фонда може да буде редуковано природном селекцијом, док се друге „повољније” мутације могу акумулирати и произвести адаптивне промене.

На пример, лептир може да произведе потомство са новим мутацијама. Већина тих мутација неће имати ефекта, док једна може да промени боју једног од лептирових потомака, чинећи га теже (или лакше) уочљивим за предаторе. Ако је та промена боје корисна, вероватноћа преживљавања тог лептира и произвођења потомства је у извесној мери повећана, и током времена број лептира са том мутацијом може да формира већи удео популације.

Неутралне мутације се дефинишу као мутације чији ефекти не утичу на адаптивну способност једне индивидуе. Оне могу да се акумулирају током времена услед генетичког дрифта. Верује се да огромна већина мутација нема значајан утицај на адаптивност организма. Исто тако, механизми ДНК поправке су у стању да поправе већину промене пре него што постану сталне мутације, и многи организми имају механизме за елиминисање иначе перманентно мутираних соматских ћелија.

Корисне мутације могу да побољшају репродуктивни успех.

Генетичке рекомбинације

Структура Холидејовог интермедијара у генетичкој рекомбинацији. (1M6G​)

Рекомбинација се састоји од раскидања и спајања два хромозома (M и F), чиме се формирају два преуређена хромозома (C1 и C2).

RAD51 филамент базиран на 1SZP​.

ДНК хеликс обично не формира интеракције са другим ДНК сегментима, и у људским ћелијама различити хромозоми чак заузимају засебне области једра које се називају „хромозомске територије”. Ова физичка сепарација различитих хромозома је важна за способност ДНК да функционише као стабилна ризница информација. Један од ретких случајева кад хромозоми формирају интеракције је током хромозомског кросинг-овера у процесу рекомбинације. При укрштању хромозома два ДНК хеликса се раскидају, замењују секције и поново спајају.

Рекомбинација омогућава хромозомима да размене генетичке информације и произведу нове комбинације гена. Тиме се повећава ефикасност природне селекције и она може да буде важна за брзу еволуцију нових протеина. Генетичка рекомбинација може да буде део поправке ДНК, посебно у ћелијском одговору на раскидање двоструких ланаца.

Најчешћа форма хромозомског кросинг-овера је хомологна рекомбинација, где два хромозома размењују веома сличне секвенце. Нехомологна рекомбинација може да буде штетна за ћелије, јер она може да произведе хромозомске транслокације и генетичке абнормалности. Реакцију рекомбинације катализују ензими познати као рекомбиназе, попут RAD51. Први степен рекомбинације је раскидање ланца двоструког хеликса било посредством ендонуклеазе или услед оштећења ДНК. Серија корака који су делом катализовани рекомбиназом доводи до спајања два хеликса у најмање један Холидејов спој, у коме су сегменти једног ланца сваког хеликса спојени са комплементарним ланцем другог хеликса. Холидејов спој је тетраедрална структура која се може померати дуж хромозома, замењујући један ланац за други. Реакција рекомбинације се затим зауставља раскидањем споја и религацијом ослобођене ДНК.

У нормалној мејози свака хроматида одлази у посебан гамет. Гамети који садрже хроматиде које су размењивале делове називају се кросинг-овер гамети. Јединке које настају од таквих гамета називају се рекомбинанти.

Гени на једном хромозому називају се везани гени. Они се заједно преносе у потомство и да не постоји кросинг-овер увек би се јављали у истим комбинацијама. Број група везаних гена једног организма једнак је његовом броју хромозомних хаплоида. Заједничко испољавање два или више гена који се налазе на истом хромозому назива везано наслеђивање (корелативно наслеђивање). У стварности међутим, није довољно да се два гена налазе на истом хромозому да би се везано наслеђивали. Они морају бити врло близу један до другог на истом хромозому. Уколико то није случај може доћи до њиховог рекомбиновања током кросинг-овера. Вероватноћа одигравања кросинг-овера између два гена на истом хромозому зависи од њиховог међусобног растојања. Што је то растојање веће и вероватноћа да ће доћи до кросинг-овера је већа и обратно. У геному човека постоје гени између којих је растојање толико мало да се практично кросинг-овер не одиграва. Такви скупови гена који се као целина преносе на потомство називају се хаплотипови.

Чињеница да учесталост кросинг-овера зависи од растојања између гена користи се приликом мапирања гена на хромозому (одређивање места генима на хромозому). Генетичке мапе које се добијају на основу учесталости кросинг-овера дају нам увид о релативном положају гена на хромозомима. Растојање између два гена процењује се на основу броја кросинг-овер гамета на 100 гамета (у %). При томе 1% кросинг-овера представља јединицу растојања или центиморган (сМ), тако да је 1 сМ = 1% кросинг-овера.

Биолошке функције

ДНК се обично јавља у облику линеарних хромозома код еукариота, и кружних хромозома код прокариота. Сет хромозома у ћелији чини њен геном. Људски геном има око 3 милијарде базних парова ДНК груписаних у 46 хромозома. Информације су садржане у деловима секвенце ДНК који се називају гени. Трансмисија генетичке информације садржане у генима се остварује путем комплементарног спаривања база. На пример, током транскрипције, кад ћелија користи информацију у генима, ДНК секвенца се копира у комплементарну РНК секвенцу путем привлачења између ДНК и коректних РНК нуклеотида. Обично се ова РНК копија затим користи за прављење одговарајуће протеинске секвенце у процесу транслације, која зависи од истих интеракција између РНК нуклеотида. У алтернативном маниру, ћелија може да једноставно копира свој генетички садржај у процесу репликације ДНК.

Гени и геноми

Геномска ДНК је чврсто и уредно упакована процесом који се зове ДНК кондензација тако да се може сместити у мали доступни простор унутар ћелије. Код еукариота, ДНК је лоцирана у ћелијском нуклеусу. Мање количине ДНК су присутне и у митохондријама и хлоропластима. Код прокариота, ДНК се налази унутар тела неправилног облика у цитоплазми које се назива нуклеоид. Комплетна генетичка информација једног организма је његов генотип. Ген је јединица наслеђивањаи и регион ДНК који производи специфичну карактеристику организма. Гени садрже отворене оквире читања који се могу транскрибовати, регулаторне секвенце као што су промотери, и појачиваче, који контролишу транскрипцију отворене оквире читања.

Код многих врста, само мала фракција тоталне секвенце генома кодира протеине. На пример, само око 1,5% хуманог генома се састоји од протеин кодирајућих ексона, и преко 50% хумане ДНК су некодирајуће понављајуће секвенце. Разлози за присуство толике количине некодирајуће ДНК у еукариотским геномима и изузетно велике разлике у величинама генома, или Ц-вредностима, између врста представља дугогодишњу загонетку познату као „енигма Ц-вредности”. Међутим, ДНК секвенце које не кодирају протеине још увек могу да кодирају функционалне некодирајуће РНК молекуле, који учествују у регулацији генске експресије.

Неке некодирајуће ДНК секвенце имају структурне улоге у хромозомима. Теломере и центромере типично садрже мали број гена, али су важни за функцију и стабилност хромозома. Богата фамилија некодирајуће ДНК код људи су псеудогени, који су копије гена које су онеспособљене мутацијама. Те секвенце су обично само молекулски фосили, мада оне могу повремено да служе као сирови генетички материјал за креирање нових гена путем процеса дуплирања гена и дивергенције.

Транскрипција и транслација

Дијаграм приказује транслацију иРНК и синтезу протеина рибозомом

Серија кодона у делу молекула информационе РНК (иРНК). Сваки кодон се састоји од три нуклеотида, и обично представља једну аминокиселину. Нуклеотиди су означени словима A, U, G и C. иРНК користи У (урацил), док ДНК користи T (тимин).

Т7 РНК полимераза (плаво) формира иРНК (зелено) из ДНК обрасца (наранџасто). (1MSW​)

Ген је ДНК секвенца која садржи генетичке информације и која може да утиче на фенотип организма. Структура и/или ензимска активност сваког протеина првенствено произлази из његове примарне секвенце аминокиселина. Путем одређивања секвенце аминокиселина протеина гени имају способност ношења информације неопходне за дефинисање активног полипептидног ланца. На тај начин један једноставан тип молекулске структуре има способност изражавања безбројних протеинских форми. Колективно дејство разних протеинских производа ћелије спроводи каталитичке и структурне активности које су неопходне за успостављање фенотипа.

Унутар гена, секвенца база дуж ДНК ланца дефинише секвенцу информационе РНК, која затим дефинише једну или више протеинских секвенци. Однос између нуклеотидних секвенци гена и аминокиселинских секвенци протеина је одређен правилима транслације, која су позната као генетички код. Он се састоји од речи са три слова које се називају кодони. Они су формирани од секвенци са три нуклеотида (нпр. ACT, CAG, TTT). Генетички код декодира комплексни апарат који стоји између нуклеинске киселине и протеина. Тај апарат је есенцијалан за пренос информације коју садржи ДНК. Само један од два ДНK ланца кодира протеин, тако да се генетички код записује као секвенца нуклеотида, а не базних парова.

Током транскрипције, кодони гена се копирају у информационе РНК молекуле посредством РНК полимеразе. Те РНК копије се затим декодирају у рибозомима који читају РНК секвенце путем базног спаривања информационе РНК са транспортним РНК молекулима, који носе аминокиселине. Пошто постоје четири базе у комбинацијама од три слова, могућа су 64 кодона (4³ комбинације). Кодони кодирају двадесет стандардних аминокиселина. Већина аминокиселина је кодирана са више од једног кодона. Постоје три стоп или несмисаона кодона који означавају крај кодирајућег региона. То су: TAA, TGA и TAG кодони.

Ген садржи серију кодона која се чита секвенцијално од почетне тачке на једном крају до крајње тачке на другом. Написана у конвенционалном 5'-3' смеру, секвенца нуклеотида ДНК ланца која кодира протеин одговара секвенци аминокиселина написаној у правцу од N-терминуса до C-терминуса.

Општа база кода је откривене путем генетичке анализе мутација rII региона бактеријског вируса, фаг Т4. Крик је 1961. показао да се код мора читати у непреклапајућим триплетима почевши од фиксне почетне тачке. Непреклапање значи да се сваки кодон састоји од три нуклеотида и да су узастопни кодони представљени узастопним тринуклеотидима. Употреба фиксне почетна тачке значи да конструкција протеина мора да почне на једном крају и тече ка другом, тако да се различити делови кодирајуће секвенце не могу независно читати.

Ако се генетички код чита у непреклапајућим триплетима, онда постоје три могућа начина транслирања нуклеотидне секвенце у протеин у зависности од почетне тачке. Они се називају оквирима читања. На пример за секвенцу ACGACGACGACGACGACG три оквира читања су:

ACG ACG ACG ACG ACG ACG

CGA CGA CGA CGA CGA CGA

GAC GAC GAC GAC GAC GAC

Мутација која уметне или уклони једну базу мења оквир читања целокупне секвенце. Промена те врсте се назива померање оквира (енгл. frameshift). Пошто се секвенца новог оквира читања комплетно разликује од старе, целокупна аминокиселинска секвенца протеина је промењена иза места мутације, те се стога функција протеина вероватно комплетно губи.

Мутације промене оквира читања могу да индукују акридини, једињења која се везују за ДНК и изобличавају структуру двоструког хеликса, узрокујући инкорпорацију или изостављање додатне базе током репликације. Свака мутација узрокована акридином доводи до адиције или уклањања једног базног пара. Ако једна акридинска мутација произведе на пример адицију нуклеотида, ДНК се може вратити у почетно стање уклањањем то нуклеотида. До реверзије се доћи и одстрањивањем различите базе на месту у близини првог. Комбинација таквих мутација даје веома корисне информације о природи генетичког кода.

Оригинална анализа је изведена генетичним путем, тако што су све акридинске мутације класификоване у две групе, обележене са (+) и (-). Оба типа мутација узрокују фрејмшифт. Тип (+) путем адиције базе, а тип (-) путем делеције базе. Двоструке комбинације типова (+ +) и (- -) су и даље мутиране. Међутим, комбинације типова (+ -) и (- +) се међусобно поништавају, те је један од мутанта супресор другог. Ови резултати показују да се генетички код мора читати у секвенци са оквиром читања који има фиксну почетну тачку, тако да адиција и делеција могу да компензују једна другу, док двоструке адиције или двоструке делеције задржавају карактер мутанта. Ови налази не дају индикацију о величини кодона.

Кад се формирају троструке мутације, само (+ + +) и (- — -) комбинације показују почетни фенотип, док остале комбинације остају мутиране. Ако се претпостави да три адиције или три делеције одговарају респективно адицији или изостављању једне аминокиселине, може се закључити да се код чита у триплетима. Некоректна аминокиселинска секвенца се налази између два спољашња места мутација, док секвенце на оба краја остају непромењене.

Репликон

Било да ћелија има само један хромозом (као код прокариота) или мноштво хромозома (као код еукариота), целокупни геном се мора репликовати једном током сваке ћелијске деобе. Два општа принципа се користе за поређење стања репликације са условима ћелијског циклуса:

• Иницијација ДНК репликације обавезује ћелију да изврши поделу. Са те тачке гледишта број потомака ћелије је одређен серијом одлука о иницијацији репликације ДНК.
• Ако је репликација у току, подела није дозвољена док се репликациони чин не заврши. Завршетак репликације може да произведе сигнал за следећу ћелијску поделу. Дуплирани геноми се раздвајају у две ћелије ћерке (путем митозе код еукариота). Јединица сегрегације је хромозом.

Регулаторни гени ћелијског циклуса активирају прекидаче који иницирају ДНК репликацију и покрећу саму деобу. Код прокариота, иницијација репликације је догађај у коме учествује јединствено место бактеријског хромозома, и процес деобе је праћен развојем преграде. Код еукариотских ћелија, иницијација репликације је идентификована почетком С фазе, дужег периода током којег долази до синтезе ДНК, и који обухвата многе индивидуалне иницијационе догађаје. Чин поделе се остварује реорганизацијом ћелије током митозе.

Јединица ДНК у којој се јавља индивидуални чин репликације се назива репликон. Сваки репликон се активира једном и само једном у сваком ћелијском циклусу. Репликон је дефинисан поседовањем контролних елемената потребних за репликацију. Он садржи место почетка на коме се иницира репликација. Он исто тако може да садржи „терминус” на коме се репликација зауставља. Свака секвенца везана за место почетка, или прецизније секвенца која није раздвојена од места почетка терминусом, се репликује као део репликона. Место почетка може да утиче само на ДНК молекул на коме се налази. Геном прокариотске ћелије је један репликон, тако да су јединице репликације и сегрегације на истом месту. Највећи такав репликон је сам бактеријски хромозом. Репликон је флексибилна јединица. У случају бактеријских хромозома, он се користи за формирање копија дуплирањем дволанчане ДНК. Он се такође може користити за генерисање једноланчаних копија генома фага или плазмида у монометријским или мултиметријским формама. Мод репродукције репликона зависи од природе интеракција које се јављају током иницијације на месту почетка. Општи принцип је да је репликација контролисана степеном иницијације. Након почетка репликације, она се наставља док се целокупни геном не дуплира.

Главна разлика у организацији бактеријских и еукариотских генома је у њиховој репликацији. Сваки еукариотски хромозом садржи велики број репликона, тако да јединица сегрегације обухвата мноштво јединица репликације. Тиме се додаје нова димензија проблему контроле. Сви репликони на хромозому се морају активирати током ћелијског циклуса, мада они нису истовремено активни, него се активирају током дужег периода. Сваки репликон се мора активирати само једном у датом ћелијском циклусу. Сигнал мора да разликује реплициране од нереплицираних репликона, тако да до активације репликона дође само једном. Пошто су многи репликони независно активирани, мора да постоји сигнал који означава да је целокупан процес репликације завршен.

Репликација може да буде једносмерна и двосмерна. Тип је одређен тиме да ли се једна или две репликационе рачве формирају. Код једносмерне репликације, једна репликациона виљушка напушта место почетка и креће се дуж ДНК. Код двосмерне репликације, две репликационе виљушке се формирају и крећу се у супротним смеровима. Кад се репликација ДНК посматра под електронским микроскопом, репликациони регион изгледа као око унутар нерепликоване ДНК. Међутим на основу изгледа сегмента се не може рећи да ли је репликација једносмерна или двосмерна. Око може да представља било коју од те две структуре. Ако је око формирано једносмерном репликацијом, оно представља непомерно место почетка и покретну репликациону рачву. Ако је формирано двосмерном репликацијом, оно представља пар репликационих рачви. Независно од типа, прогрес репликације проширује око док се ултиматно не прошири на цео репликон. Кад је репликон кружан, присуство ока формира θ структуру.

Број репликационих рачви репликационог ока се може одредити на два начина. Избор метода зависи од тога да ли се анализира дефинисани молекул ДНК или недефинисани регион ћелијског генома. У случају дефинисаног молекула, може се користити електронска микроскопија за мерење растојања крајева репликационог ока од крајева ДНК. Затим се позиција сваког краја ока може поредити у молекулима са који имају различите величине ока. Ако је репликација једносмерна само се један крај помера. Ако је репликација двосмерна оба краја се померају, док је место почетка у средини. У случају недефинисаних региона великог генома, два узастопна радиоактивна пулса се могу користити за обележавање кретања репликационе виљушке. Ако један од пулсева има интензивнију ознаку, они се могу разликовати по релативним интензитетима ознака применом ауторадиологије. Код једносмерне репликације једној ознаци следи друга на једном крају ока, док се код двосмерне јавља симетричан образац на обе стране ока. Симетрични образац се обично уочава у репликонима еукариотских хромозома.

Савременији метод мапирања места почетка са повећаном резолуцијом користи променљиве ефекте промене облика путања након електрофоретске миграције ДНК. Техника дводимензионог мапирања раздваја рестрикционе фрагменте репликујуће ДНК електрофорезом по маси у првој димензији, док је у другој димензији кретање првенствено одређено обликом. Различити типови репликационих молекула следе карактеристичне путеве, који се мере њиховом девијацијом од линије коју би следили линеарни молекули удвостручене величине. Једноставна Y-структура у којој се једна виљушка креће дуж линеарног фрагмента следи континуирани пут. Тачка инфлекције се јавља кад су све три гране једнаке дужине. Та структура максимално одступа од линеарне ДНК. Аналогним разлози одређују путеве двоструких Y-структура или мехура. Асиметрични мехур следи испрекидани пут, који се прекида у тачки у којој се мехур конвертује у Y-структуру.

Бактеријски репликон

Бактеријски репликон треба да подржава следеће функције да би се коректно наслеђивао

• Иницијација репликационог циклуса
• Контрола фреквенције иницијалних догађаја
• Сегрегација репликованих хромозома у ћелије ћерке

Прве две функције су особине места почетка. Сегрегација може да буде независна функција, али у прокариотским системима обично почива на секвенци у близини места почетка. То није случај код еукариота. ДНК секвенца места почетка репликона има способност подржавања репликације било које ДНК секвенце у коју се унесе. Кад се она клонира у молекул који не садржи место почетка, реконструкција формира плазмид који има способност аутономне репликације. Места почетка су идентификована код бактерија, квасаца, хлоропласта и митохондрија. Опште својство је да је секвенца богата AT паровима. Сматра се да је то услед потребе да се дволанчана ДНК отопи како би се иницирала репликација.

Геном Ешерихије коли се двосмерно репликује из једног места почетка, које се идентификује као генетички локус oriC. Додатак oriC сегмента у било коју ДНК секвенцу формира вештачки плазмид који се може репликовати у E. Coli. Путем редуковања величине клонираног фрагмента oriC утврђено је да се регион неопходан за иницирање репликације састоји од 245 базна пара. Плазмиди који се коректно иницирају могу да имају ирегуларну сегментацију, али се то може стабилизовати увођењем додатних секвенци. Из тога следи да место почетка које је неопходно за иницијацију не садржи довољно информација да омогући поделу дуплираних ДНК молекула у ћелије ћерке при подели бактерије. Функције које учествују у подели се могу идентификовати карактеризацијом секвенци које условљавају сегрегациону стабилност плазмида.

Прокариотски репликони су обично кружни. Кружне структуре обухватају бактеријски хромозом, плазмиде и многе бактериофаге. Оне су исто тако честе у хлоропластима и митохондријским ДНК молекулима. Репликација кружних молекула избегава проблем репликације крајева, али има проблем завршавања репликације. Бактеријски хромозом се двосмерно репликује као једна јединица почевши од oriC локације. Две репликационе рачве се крећу око генома приближно истом брзином до тачке састајања, и до терминације долази у дискретном региону. Након терминације саме репликације ДНК, ензими вишег нивоа који манипулишу структуре су неопходни да би се два новонастала хромозома раздвојила. Секвенце које узрокују терминацију се називају тер места. Она се састоје од кратке (~23 базна пара дугачке) секвенце која узрокује терминацију ин витро. Терминационе секвенце функционишу само у једном смеру. Терминација захтева протеин кодиран TUS геном који препознаје консензус секвенцу и спречава даљи напредак репликационе виљушке.

Код Ешерихије коли репликациона рачва се обично зауставља у тачки на пола пута око хромозома. Постоје два терминациона региона (terD,A и terC,B) лоцирана око 100 кб на свакој страни места сретања. Сваки терминални регион је специфичан за један смер кретања рачве, и они су распоређени на такав начин да би свака рачва морала да пређе други завршни регион да би досегла до завршног краја који препознаје. Овај аранжман формира клопку за репликационе рачве. Ако је из било ког разлога једна рачва касни, тако да рачве не успеју да се сретну у уобичајеној централној позицији, бржа рачва ће бити заустављена у тер региону и чекаће долазак спорије рачве.

У случају да репликациона рачва (која се креће десет пута брже) наиђе на РНК полимеразу која се креће у истом смеру, она је обилази без поремећаја транскрипције. Механизам ове интеракције није познат. У случају да се РНК полимераза креће у супротном смеру, конфликт се вероватно не би могао решити, те може доћи до леталног исхода. То је могући разлог што су код Ешерихије коли скоро све активне транскрипционе јединице оријентисане тако да се изражавају у истом смеру као и репликациона рачва. Изузеци су једино мале транскрипционе јединице које се ретко изражавају.

Еукариотски репликон

Код еукариотских ћелија, репликација ДНК је ограничена на део ћелијског циклуса. С фаза се јавља као део интерфазе која обично траје неколико часова код ћелија виших еукариота. Репликација велике количине ДНК садржане у еукариотском хромозому се остварује поделом у мноштво репликона. Само део тих репликона учествује у репликацији у било којем тренутку С фазе. Сваки репликон се активира у специфично време, мада евиденција о томе није потпуна. Сигнал за почетак С фазе је активација првог репликона. Током следећих неколико сати долази до активације других репликона. Контрола С фазе стога обухвата два процеса: излазак ћелије из претходне Г1 фазе, и иницијацију репликације индивидуалних репликона на уређен начин.

Највећи део познатих својстава појединачних репликона је добијен путем ауторадиографских студија. Хромозомски репликони обично имају двосмерну репликацију. Потешкоћа у карактерисању појединачних јединица је у томе да се суседни репликони спајају и производе велике репликационе мехуре. Приступ који се користи за разликовање индивидуалних репликона од спојених се обично ослања на сегменте ДНК у којима се може видети неколико активних репликона, који су вероватно активирани у приближно исто време и чије рачве се још нису среле. Постоје докази да „регионална” контрола може да произведе известан облик регулационог обрасца у коме су групе репликона инициране више или мање координирано, што је у супротности са механизмом у коме су индивидуални репликони активирани један по један у расутим областима генома. Две структурне особине сугеришу могућност организације на великој скали. Веома велики региони хромозома се могу карактерисати као „рано репликујући” или „касно репликујући”, из чега следи да постоји извесна расподела између репликона који се активирају рано и касно. Визуелизација репликационих рачви обележених са ДНК прекурсорима показује 100—300 центара, уместо униформне расподеле. Сваки центар вероватно садржи >300 репликационих рачви. Рачве могу да представљају фиксне структуре кроз које репликујућа ДНК мора да прође.

Еукариотски репликони су мали и репликују се спорије од бактеријске ДНК
Организам	Број репликон (бп)	Просечна дужина	Брзина кретања (бп/мин)
Бактерија	1	4.200	50.000
Квасац	500	40	3.600
Воћна мушица	3.500	40	2.600
Жаба	15.000	200	500
Миш	25.000	150	2.200
Биљка	35.000	300

У групама активних репликона, просечна величина јединице се мери растојањем између места почетака. Брзина кретања репликационе рачве се може проценити из максималног растојања које ауторадиографски траг пређе током датог временског интервала. Појединачни еукариотски репликони су релативно мали, иако њихова дужина варира више од десет пута унутар генома. Брзина којом се они репликују је знатно мања од брзине бактеријске репликације. Геном сисара би се могао репликовати у току једног сата, ако би сви репликони симултано функционисали. Међутим, С фаза заправо траје дуже од шест сати у типичним соматским ћелијама, из чега следи да је до 15% репликона активно у било ком моменту. Постоје неки изузетни случајеви, као што је рани ембрионски развој Дрозофила ембриона, где је дужина С фазе компресована симултаним функционисањем великог броја репликона.

Доступна евиденција сугерише да хромозомски репликони немају терминусе на којима се репликационе рачве заустављају и ензимски комплекс дисоцира од ДНК. Вероватнији сценарио је да репликационе рачве настављају кретање од свог места почетка док се не сретну са рачвом која се креће у супротном смеру.

Сваки ДНК сегмент који садржи место почетка би требало да има способност репликације. Мада су плазмиди ретки код еукариота, могуће их је формирати путем подесних манипулација ин витро. То је остварено код квасца, мада не и код виших еукариота. Saccharomyces cerevisiae мутанти се могу трансформисати до дивљег типа додатком ДНК која садржи копију гена дивљег типа. Неки ДНК фрагменти квасца (често кружни) имају способност веома ефективног трансформисања дефективних ћелија. Ти фрагменти могу да опстану у ћелијама у неинтегрисаном (аутономном) стању, попут саморепликујућих плазмида. Фрагменти који се трансформишу са високом фреквенцијом поседује секвенце које имају способност ефективне репликације у квасцу. Тај сегмент се назива АРС (аутономно репликујућа секвенца). АРС елементи су изведени из аутентичних места почетка репликације хромозома. Секвенце са АРС функцијом се јављају са скоро једнаком фреквенцијом као и места почетка репликације. АРС елементи су систематски мапирани на дужим регионима хромозома. Само део њих се заправо користи за иницијацију репликације. Други су неми, или се можда користе повремено. Ако је тачно да нека места почетка имају варирајућу вероватноћу активације, следи да границе репликона нису фиксне. У том случају дати регион хромозома може да буде репликован из различитих места почетака у различитим ћелијским циклусима. АРС елемент се састоји од AT богатог региона који садржи одређена дискретна места на којима мутације имају знатан утицај. Садржај база уместо саме секвенце може да буде значајан за остатак региона.

Репликација ДНК молекула

Репликација ДНК. Двоструки хеликс се размотава и сваки ланац делује као шаблон за следећи ланац.

ДНК репликација. Двоструки хеликс се отплиће посредством хеликазе и топоизомеразе. Затим једна ДНК полимераза производи копију водећег ланца. Друга ДНК полимераза се везује за заостајући ланац. Тај ензим прави дисконтинуиране сегменте (Оказаки фрагменте) које ДНК лигаза спаја.

Репликација ДНК молекула је веома сложен и важан процес. Стога је пуно времена и труда је уложено у његово разумевање.

Ћелијска деоба је есенцијална за раст организма. Током деобе ћелија долази до репликације ДНК тако да свака од новонасталих ћелија има исти генетички садржај као и њихов родитељ. Дволанчана структура ДНК омогућава једноставан механизам за репликацију. Овде се два ланца раздвајају и формира се комплементарна секвенца за сваки од њих посредством ензима ДНК полимераза. Тај ензим формира комплементарни ланац тако што налази коректну базу путем спаривања комплементарних база, и њиховог везивања на оригинални ланац. Пошто ДНК полимеразе могу да продуже једино ДНК ланац у 5’ ка 3’ смеру, други механизми се користе за копирање антипаралелних ланаца двоструког хеликса. На тај начин, базе старог ланца одређују у којој секвенци се базе појављују у новом ланцу, и ћелија добија перфектну копију своје ДНК.

Репликација ДНК се такође може изводити ин витро (вештачки, изван ћелије). ДНК Полимеразе, изоловане из ћелија, и вештачки ДНК прајмери се користе за иницирање синтезе ДНК на познатим секвенцама молекулских темплета. Полимеразна ланчана реакција (ПЦР) је уобичајена лабораторијска техника у којој се примењује таква вештачка синтеза у цикличном режиму ради умножавања специфичног циљног ДНК фрагмента из ДНК смеше.

Еукариотска репликација

ДНК полимераза
3Д структура хеликс-завој-хеликс мотива ДНК везивања људске ДНК полимеразе бета (7ICG​)
Идентификатори
ЕЦ број	7/ 7/7.html 2. 7. 7.7
ЦАС број	9012-90-2
Базе података
ИнтЕнз	7. 7.7 ИнтЕнз преглед
БРЕНДА	7. 7.7 БРЕНДА приступ
ExPASy	7. 7.7 NiceZyme преглед
KEGG	7. 7.7 KEGG приступ
MetaCyc	7. 7.7 метаболички пут
ПРИАМ	7. 7.7 профил
Структуре ПБП	7. 7.7 RCSB PDB 7. 7.7 PDBe 7. 7.7 PDBsum
Онтологија гена	AmiGO / EGO
Претрага PMC 7. 7.7%5BEC/RN%20Number%5D%20AND%20pubmed%20pmc%20local%5Bsb%5D чланци PubMed 7. 7.7%5BEC/RN%20Number%5D чланци NCBI 7. 7.7%5BEC/RN%20Number%5D протеини

Репликација ДНК молекула почиње на месту који се зове oriC локус. Протеин ДНК-А се везује за oriC локус и притом се врши хидролиза аденозин трифосфата. Ово прво надовезивање доводи до почетног одвијања ДНК молекула из спирале у два линеарна ланца повезана водоничним везама. Да би репликација била успешна ДНК мора да постане линеарна, а не спирално увијена, дакле мора да изгледа као мердевине. Ензими који одвијају ДНК молекул у облик мердевине се зову хеликазе. Ензими одвијају ДНК молекул веома брзо, чак 75 до 100 револуција у секунди. Овакво брзо одвијање молекула ДНК може да доведе до стварања тензија полинуклеотидних ланаца. Ова појава тензија се на пример може видети када се увију пертле и када покушамо брзо да их раздвојимо, пертле се увију у чворове услед тензије. Да би се ово избегло стварање чворова које би могло да оштетити ДНК молекул, присутни су ензими који се зову ДНК топоизомеразе. Они попуштају водоничне везе како би се тензија и стварање чворића избегло. У исто време док се ДНК молекул раздваја у облик мердевина, структура која се назива репликациона виљушка (или рачва) иде одмах иза топоизомераза и раздваја водоничне везе између парова (А-Т и Г-Ц). Да би ови полинуклеотидни ланци остали раздвојени раздвајајући протеини се везују на обе стране сваког ланца и на тај начин одржавају ланце одвојене. Репликација ДНК молекула се може упоредити са рајсфершлусом. Када желимо да отворимо рајсфершлус, вучемо механизам надоле, и на тај начин добијамо две стране рајсфершлуса за раздвојеним зупчаницима. На исти начин се ДНК раздваја, при чему механизам рајсфершлуса представља репликациону виљушку.

Након раздвајања постоје два полинуклеотидна ланца, један иде у правцу 3'→ 5' док други иде у правцу 5'→ 3' (антипаралелност). Веома важан ензим који синтетише нове полинуклеотидне ланце ДНК полимераза δ, може да синтетише нови ланац само у правцу 5'→ 3'. То није проблем за водећи ланац који се синтетише у правцу кретања репликационе виљушке.

Синтезу оба ланца обавља ДНК полимераза тек пошто се веже за родитељски ланац који служи као матрица. Овај ензим не може да се веже за огољени ланац-матрицу већ захтева постојање зачетника (прајмера). Зачетник је кратки ланац РНК и његову синтезу катализује ензим примаза. Када се кратки ланац РНК комплементарно спари (хибридизује) са почетком ланца матрице то омогућује везивање ДНК полимеразе и почиње синтеза новог ланца. За синтезу ланца који заостаје потребно је да се синтетише већи број зачетника. Оказакијеве фрагменте, по завршетку синтезе, међусобно повезује ензим лигаза.

Ланац који се синтетише правцу супротном од правца кретања репликационе виљушке 3' → 5' не може да буде синтетисан без прекида. Он се синтетише у фрагментима који се називају Оказакијеви Фрагменти (названим по научнику Реији Оказаки који је први указао на њихово постојање 1966.) и појављују се само на ланцу који иде у овом правцу. Они су комплементарни са темплетом заостајућег ланца, са којим формирају дволанчане ДНК секције. Оказакијеви фрагменти су између 100 до 200 нуклеотида дугачки код еукариота, док код Ешерихије коли имају 1 000 то 2 000 нуклеотида. Они су раздвојени РНК примерима од ~10-нуклеотида и до спајања долази након уклањања прајмера.

Да би нови ДНК молекул био комплетан и без прекида, ензим лигаза има улогу лепка и везује фрагменте један за други, и тако настају од једног ДНК молекула, два новоформирана ДНК молекула. ДНК полимераза β има важну улогу у провери нових ДНК молекула, тако што иде дуж целих новонасталих ланаца, чита их и проверава да ли су све базе коректно повезане (А-Т и Г-Ц). ДНК репликација се зауставља када репликациона виљушка наиђе на секвенцу на ДНК молекулу који кодира за стопирање ДНК репликације.

Процес ДНК репликације је веома компликован. Један од разлога за ову комплексност је да новонастали ДНК молекули морају да буду тачни. Грешке у синтези ДНК молекула могу да доводе до разних болести и често су фаталне. Овај процес звучи веома невероватно када се узме у обзир да се нових 850 базних парова код прокариота синтетише у року од једне секунде, док је код еукариота ова брзина је нешто нижа, око 150 базних парова у једној секунди.

Прокариотска репликација

Bac_DnaA_C
Кристална структура DnaA домена у комплексу са ДНК кутијом (1J1V 1J1V​)
Идентификатори
Симбол	Bac_DnaA_C
Пфам	PF08299
Пфам клан	CL0123
ИнтерПро	IPR013159
СКОП	1j1v

Прокариотска репликација ДНК је бидирекциона и започиње у центру репликације (OriC).

Иницијацију ДНК репликације посредује DnaA, протеин који се везује за регион центра репликације познат као DnaA кутија. Код E. coli постоји пет DnaA кутија, свака од којих садржи девет високо конзервираних базних парова, консензус секвенцу 5' — TTATCCACA — 3'. Последица везивања DnaA за тај регион је да ДНК постаје негативно супернамотана. Након тога, региони OriC испред DnaA кутија (познати као DnaB кутије) се отапају. Постоје три таква региона, и сваки је дугачак 13 базних парова, и богат АТ паровима (што олакшава топљење јер је мање енергије потребно за разлагање две водоничне везе. Тај регион има консензус секвенцу 5' — GATCTNTTNTTTT — 3. За растапање DnaB кутија је неопходан аденозин трифосфат (који хидролизује DnaA). Након растапања, DnaA регрутује хексамерну хеликазу (шест DnaB протеина) на супротне крајеве растопљене ДНК. На том месту се формира репликациона виљушка. За регрутовање хеликазе је неопходно шест DnaC протеина, сваки од којих се везује за једну подјединицу хеликазе. Након формирања тог комплекса, додатних пет DnaA протеина се везује. DnaC се затим одваја, и комплекс је комплетан. Да би се ДНК репликација наставила потребан је једноланчани протеин који спречава једноланчане ДНК ланце да формирају секундарну структуру, као и за спречавање њиховог поновног међусобног спаривања. ДНК гираза је потребна да би се умањио стрес узрокован формирањем негативних супернамотаја формираних посредством DnaB хеликазе. Одмотавање ДНК DnaB хеликазом омогућава примази (DnaG) полимерази да формира прајмер на сваком ДНК темплету тако да ДНК синтеза може да почне.

Након формирања прајмера, ДНK полимераза III холоензим започиње репликацију ДНК. Њен каталитички механизам обухвата употребу два метална јона у активном месту. Овај ензим има способност разликовања дезоксирибонуклеотида и рибонуклеотида. Метални јони су генерално дивалентни катјони који помажу 3' OH да иницира нуклеофилни напад на алфа фосфат дезоксирибонуклеотида и да оријентише и стабилизује негативно наелектрисани трифосфат на дезоксирибонуклеотиду. Нуклеофилни напад 3' OH-а на алфа фосфат ослобађа пирофосфат, који се накнадно хидролизује (неорганском фосфатазом) у два фосфата. Ова хидролиза завршава синтезу ДНК.

Терминација репликације ДНК код Ешерихије коли се обавља путем употребе терминационих секвенци и Tus протеина. Те секвенце омогућавају да две репликационе виљушке иду само у једном правцу. Репликација ДНК иницијално производи два повезана кружна ДНК дуплекса, сваки од којих се састоји од једног родитељског ланца и новоформираног ланца. Код Ешерихије коли топоизомераза IV раздваја кружне ДНК дуплексе.

Фагне стратегије

Неки бактериофагови имају само једну стратегију опстанка. Након инфекције подложног домаћина, они мењају његове ћелијске функције и подређују их производњи великог броја вирусних потомака. Резултат литичке инфекције је смрт бактеријског домаћина. У типичном литичком циклусу ДНК (или РНК) фага улази у ћелију домаћин, његови гени се транскрибују у одређеном реду, генетички материјал фага се репликује, и протеинске компоненте вируса се производе. Коначно, бактерија домаћин се отвара (лизира) да би се ослободило формирано потомство фага.

Други фагови имају двоструки начин постојања. Они могу да производе литичке циклусе, што је отворена стратегија којом се производи што више копија за што краће време. Они исто тако имају алтернативну форму постојања, у којој је геном фага присутан у бактерији у латентној форми познатој као профаг. Та форма пропагације се назива лизогенија. У лизогеној бактерији профаг је интегрисан у бактеријски геном, и наслеђује се на исти начин као и бактеријски гени. Услед поседовања профага, лизогена бактерија је имуна на даљу инфекцију другим фаговима истог типа. Имуност се успоставља интеграцијом једне копије профага, тако да бактеријски геном садржи само једну копију профага било ког типа. Транзиција се јавља између лизогеног и литичког мода постојања. Кад је фаг произведен литичким циклусом уђе у нову бактеријску ћелију, он било понавља литички циклус или улази у лизогено стање. Исход зависи од услова инфекције и генотипа фага и бактерије. Профаг се ослобађа лизогених ограничења процесом индукције, у коме се издваја из бактеријског генома, да формира слободну ДНК фага, која затим пролази кроз литички пут. Алтернативне форме у којима се фагови пропагирају су одређене регулацијом траскрипције. Лисогенија се одржава путем интеракције фагног репресора са оператором. За литички циклус је неопходна каскада транскрипционе контроле. Транзиција између два начина живота се остварује успостављањем репресије (литички циклус у лизогенију), или ослобађањем од репресије (индукција лизогена у литички циклус).

Плазмиди су још један тип постојања ДНК унутар бактерије. Они су аутономне јединице које постоје у ћелији као екстрахромозомни геноми. Плазмиди су саморепликујући кружни ДНК молекули, који се одржавају у ћелији са стабилним и карактеристичним бројем копија. Другим речима, њихов број остаје константан из генерације у генерацију. Неки плазмиди такође имају алтернативне животне стилове. Они могу да постоје било у аутономном екстрахромозомском стању, или могу да буду уметнути у бактеријски хромозом, и онда су ношени као његов део попут било којег дела секвенце. Такве јединице се називају епизоми, мада се термини плазмид и епизом често користе као синоними. Попут лизогених фагова, плазмиди и епизоми одржавају себичну поседовање њихове бактерије и често онемогућавају другим елементима истог типа да се успоставе. Тај ефекат се назива имуност, мада се база плазмидне имуности разликује од лизогене имуности. Неки плазмиди и епизоми се преносе између ћелија путем конјугативног процеса који обухвата директни контакт између ћелија донора и примаоца.

Литички развој

Геноми фага су неопходно мали. Као и код свих вируса, они су ограничени потребом да се упакује нуклеинска киселина унутар протеинског омотача. То ограничење диктира многе виралне репродукционе стратегије. Типично вирус преузима контролу над ћелијом домаћина и користи њену структуру за репликацију и изражавање својих гена. Обично фаг садржи гене чија функција је осигуравање преферентне репликације фагне ДНК. Протеини кодирани тим генима обављају иницијацију репликације. Фаг може да садржи ген ДНК полимеразе. Фаг мења капацитет ћелије домаћина да обавља транскрипцију. То се постиже заменом РНК полимераза или модификовањем способности иницијације или терминације. Резултат је увек исти: фагни иРНК молекули су преферентно транскрибовани. У погледу синтезе протеина фаг се обично ослања на апарат домаћина, преусмеравајући његове активности заменом бактеријске иРНК фагном.

Литички развој се остварује биохемијским путем у коме се фагни гени изражавају у специфичном редоследу. Тиме се осигурава да је одговарајућа количина сваке компоненте присутна у одговарајуће време. Циклус се може поделити у два општа пута:

• Рана инфекција, која је период од улаза ДНК у ћелију до почетка репликације
• Касна инфекције је период од почетка репликације до крајњег корака лизирања ћелијског зида да би се ослободило фагно потомство.

Рана фаза је посвећена производњи ензима који учествују у репродукцији ДНК. То обухвата ензиме ДНК синтезе, рекомбинације, и понекад модификације. Њихове активности узрокују акумулацију резервоара генома фага. У том резервоару геноми се константно репликују и рекомбинују. Током касније фазе протеинске компоненте се синтетишу. Често је неопходно мноштво различитих протеина да би се формирале структуре главе и репа, тако да се највећи део генома фага састоји од структурних гена. Осим структурних протеина потребни су „монтажни протеини” који помажу у конструисању честица фагова, мада они сами не постају део финалних структура. До стадијума склапања структурних компоненти у главу и реп, репликација ДНК је достигла своју максималну брзину. Геноми се затим умећу у празне протеинске главе, репови се додају, и ћелија домаћина се лизира да би се омогућило ослобађање нових вирусних честица.

Организација фагне генетичке мапе често одражава секвенцу литичког развоја. Концепт оперона је донекле доведен до екстрема, у коме су гени који кодирају протеине са сродним функцијама груписани да би се омогућила њихова контрола са максималном ефикасношћу. То омогућава контролу пута литичког развоја са малим бројем регулаторних прекидача. Литички циклус је под позитивном контролом, тако да се свака група гена фага може изразити само након давања одговарајућег сигнала. Регулаторни гени функционишу у каскади у којој је ген изражен у једном стадијуму неопходан за синтезу гена који су изражени у следећем стадијуму. Тако је у сваком стадијуму експресије један или више активних гена регулатор који је потребан у следећем стадијуму. Регулатор може да има облик нове РНК полимеразе, сигма фактора који преусмерава специфичност домаћинове РНК полимеразе, или антитерминациони фактор који омогућава читање нове групе гена.

Први стадијум генске експресије се ослања на транскрипциони апарат ћелије домаћина. Обично је само неколико гена изражено у том стадијуму. Њихови промотери су као и промотери гена домаћина. Име ове класе гена зависи од фага. У већини случајева, они су познати као рани гени. Један од тих гена увек кодира протеин који је неопходан за транскрипцију следеће класе гена. Друга класа гена је позната као одложени рана или средња група. Њено изражавање типично почиње непосредно након кодирања регулаторног протеина. У зависности од природе контролног циклуса, иницијални сет раних гена може, или не мора да настави са даљом експресијом. Често долази до редукције изражавања гена домаћина. Два сета раних гена обухватају све функције фага изузев формирања протеинског омотача и лизирања ћелије. Кад репликација фагне ДНК започне, време да се изразе касни гени. Њихова транскрипција у овом касном стадијуму обично је узрокована регулаторним протеином које формиран у претходној фази. У случају ламбда фага то је антерминациони фактор, мада може да буде сигма фактор (као код SPO1).

Интерпретација генетичког кода

Секвенца кодирајућег ланца ДНК, која се чита у смеру од 5' да 3', се састоји од нуклеотидних триплета (кодона) и одговара аминокиселинској секвенци протеина од N до C-терминуса. Секвенцирање ДНК и протеина омогућава директно поређење секвенци нуклеотида и аминокиселина. Транспортна РНК је адаптер који повезује кодон са одговарајућом аминокиселином. Транспортна ТРК има пивоталну улогу у синтези протеина. Она је посредник који омогућава транслацију кодона у аминокиселине. Значење кодона који представља аминокиселину је одређено његовом транспортном РНК, док значење терминирајућих кодона произилази директно из протеинских фактора.

Решавање генетичког кода је оригинално показало да се генетичка информација одржава у облику нуклеотидних триплета, али није било познато како кодони специфицирају одговарајуће аминокиселине. Пре развоја секвенцирања, релације између аминокиселине и кодона су одређене користећи два типа ин витро студија. Систем за транслацију синтетичких полинуклеотида је уведен 1961. и показано је да полиуридинска киселина (поли(U)) садржи инструкције за формирање полифенилаланина из фенилаланина. Други систем је касније уведен у коме су тринуклеотиди кориштени за опонашање кодона узрокујући везивање одговарајуће тРНК за рибозом. Применом комбинације ове две технике су одређена значења кодона.

Пошто постоји више кодона (61) него амино киселина (20), скоро све аминокиселине су представљене са више кодона. Једини изузеци су метионин и триптофан. Кодони са истим значењем се називају синоними. Пошто се генетички код заправо чита на иРНК, он се обично описује користећи РНК базе: U, C, A и G. Кодони који представљају исту или сродне аминокиселине теже да имају сличне секвенце. Често база у трећој позицији кодона није значајна, јер четири кодона која се разликују у само у трећој бази представљају исту аминокиселину. У неким случајевима разлика се прави само између пурина и пиримидина у тој позицији. Умањена специфичност на задњој позицији кодона је позната као дегенерација треће базе.

Интерпретација кодона захтева спаривање база са антикодоном одговарајуће аминоацил-тРНК. Ова реакција се одвије унутар рибозома. Комплементарни тринуклеотиди у изолацији су сувише кратки да формирају стабилне интеракције. Унутар рибозома реакција је стабилизована његовим активном местом. Формирање базних парова између кодона и антикодона није само питање спаривања база, A-U и G-C. Рибозом контролише средину на такав начин да до конвенционалног спаривања долази на прве две позиције кодона, док су додатне реакције могуће на трећој бази. Резултат тога је да један аминоацил-тРНК молекул може да препозна више од једног кодона у складу са обрасцем дегенерације. На интеракције спаривања може да утиче увођење специјалних база на иРНК. Модификације у или близо антикодона директно утичу на способност иРНК да формира интеракције са жељеним кодонима, док модификације на другим местима могу да утичу на остале функције иРНК молекула.

Тренд да су сличне аминокиселине заступљене сродним кодонима умањује утицај мутација, и увећава вероватноћу да насумична промена једне базе неће произвести промену аминокиселине, или бар не промену у киселу различитог карактера. На пример, мутација CUC у CUG нема ефекта пошто оба кодона представљају леуцин, док мутација CUU у AUU производи замену леуцина са изолеуцином, који је блиско сродан.

Табела РНК кодона

неполарна поларна базна кисела (стоп кодон) Стандардни генетички код 1. база 2. база 3. база U C A G U UUU (Phe/F) Фенилаланин UCU (Ser/S) Серин UAU (Tyr/Y) Тирозин UGU (Cys/C) Цистеин U UUC UCC UAC UGC C UUA (Leu/L) Леуцин UCA UAA Стоп UGA Стоп A UUG UCG UAG Стоп UGG (Trp/W) Триптофан     G C CUU CCU (Pro/P) Пролин CAU (His/H) Хистидин CGU (Arg/R) Аргинин U CUC CCC CAC CGC C CUA CCA CAA (Gln/Q) Глутамин CGA A CUG CCG CAG CGG G A AUU (Ile/I) Изолеуцин ACU (Thr/T) Треонин         AAU (Asn/N) Аспарагин AGU (Ser/S) Серин U AUC ACC AAC AGC C AUA ACA AAA (Lys/K) Лизин AGA (Arg/R) Аргинин A AUG (Met/M) Метионин ACG AAG AGG G G GUU (Val/V) Валин GCU (Ala/A) Аланин GAU (Asp/D) Аспарагинска киселина GGU (Gly/G) Глицин U GUC GCC GAC GGC C GUA GCA GAA (Glu/E) Глутаминска киселина GGA A GUG GCG GAG GGG G A Кодон AUG kодира метионин и служи као место иницијације: прва AUG секвенца у иРНК kодирајућем региону је где транслација у протеин почиње.

Инверзна табела (сажето користећи IUPAC нотацију) Аминокиселина Кодони Сажето Аминокиселина Кодони Сажето Ala/A GCU, GCC, GCA, GCG GCN Leu/L UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG YUR, CUN Arg/R CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG CGN, MGR Lys/K AAA, AAG AAR Asn/N AAU, AAC AAY Met/M AUG Asp/D GAU, GAC GAY Phe/F UUU, UUC UUY Cys/C UGU, UGC UGY Pro/P CCU, CCC, CCA, CCG CCN Gln/Q CAA, CAG CAR Ser/S UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC UCN, AGY Glu/E GAA, GAG GAR Thr/T ACU, ACC, ACA, ACG ACN Gly/G GGU, GGC, GGA, GGG GGN Trp/W UGG His/H CAU, CAC CAY Tyr/Y UAU, UAC UAY Ile/I AUU, AUC, AUA AUH Val/V GUU, GUC, GUA, GUG GUN СТАРТ AUG СТОП UAA, UGA, UAG UAR, URA

Три кодона (UAA, UAG и UGA) која не представљају аминокиселине користе се за означавање тачке завршетка синтезе протеина. Крај сваког гена је означен једним од ових кодона.

Поређење ДНК секвенци са одговарајућим протеинским секвенцама је показало да се идентичан сет кодона користи код бактерија и еукариота. Консеквентно иРНК из једне врсте се обично може коректно транслирати ин витро и ин виво протеин синтетичким апаратом друге врсте. Другим речима кодони кориштени у иРНК једне врсте имају исто значење за рибозоме и тРНК других врста.

Универзалност кода иде у прилог претпоставци да је он морао бити формиран веома рано у току еволуције. Оригинално је можда постојао стереохемијски однос између аминокиселина и кодона, који је временом еволуирао до данашњег система селекцијом особина као што су већа ефикасност и прецизност. Могуће је да је код започет у примитивним формама код којих је мали број кодона кориштен за представљање малог броја аминокиселина, или да је чак један кодон одговарао било ком члану групе аминокиселина. Прецизнија значења кодона и додатне аминокиселине су можда еволуирали касније. Једна могућност је да су у почетку само две од три базе коришћене, и да је дискриминација треће позиције развијена касније. До замрзавања даље еволуције кода је могло да дође кад је систем постао довољно комплексан да би даље промене значења кодона унеле знатне поремећаје у постојеће протеине путем неприхватљивих замена аминокиселина. Његова универзалност сугерише да је до тога морало доћи у веома раним стадијумима живота тако да су га сви живи организми наследили из исте групе ћелија.

Варијације стандардног генетичког кода

Док је постојање малих варијација стандардног кода било раније предвиђено, такви кодови су откривени тек 1979. кад је показано да људски митохондријални гени користе алтернативни код. Многе мале варијације су откривене од тада, укључујући разне алтернативне митохондријске кодове и мале варијанте као што је транслација кодона UGA као триптофан у врстама микоплазме и транслација CUG као серин уместо леуцина код неких врста рода кандида. Код бактерија и археја, GUG и UUG су често старт кодони, мада у ретким случајевима, поједини протеини могу да користе алтернативне старт кодоне који се нормално не користе код тих врста.

У неким протеинима, нестандардне аминокиселине су замењене за стандардне стоп кодоне у зависности од сигналне секвенце информационе РНК. На пример, UGA може да кодира селеноцистеин, и UAG може да кодира пиролизин. Селеноцистеин се сматра двадесет првом аминокиселином, и пиролизин се сматра двадест другом. Упркос тих разлика, сви познати природни кодови су веома слични један другом, и механизам кодирања је сличан за све организме: тробази кодони, тРНК, рибозоми, читање кода у истом смеру и транслација кода кодон по кодон у секвенцу аминокиселина. Проблем поремећаја узрокованих променама значења кодона је мање озбиљан код митохондрија, јер њихов ДНК кодира мали број протеина (~10). Промењени кодони вероватно нису били екстензивно коришћени у локацијама где би супституције аминокиселина биле штетне. Разноврсне промене нађене у митохондријама различитих врста сугеришу засебну еволуцију, са одсуством наслеђивања од заједничког древног митохондријског кода.

Минимум од 31 тРНК молекула (не рачунајући иницијатор) је неопходан за препознавање 61 кодона (најмање два тРНК молекула су неоходна за сваку кодонску фамилију и један је неопходан по кодонском пару). Код сисарских митохондрија постоје само 22 различита тРНК молекула. Критична особина је поједностављење кодон-антикодон упаривања тако да један тРНК препознаје сва четири члана кодонске фамилије. Тиме се минимални број тРНК молекула неопходних за препознавање свих уобичајених кодона редукује до 23. Употреба AGA(G) за терминацију редукује овај број даље до 22. Код свих осам кодонских фамилија, секвенца тРНК кодона садржи непромењен U на првој позицији антикодона. Преостали кодони су груписани у парове у којима се сви кодони који се завршавају пиримидинима читају модификованим G у антикодону, и сви кодони који се завршавају пуринима се читају модификованим U антикодона, као што је предвиђено хипотезом о неодређености трећег нуклеотида кодона. Компликација са UGG кодоном је избегнута променом кода да чита UGA са UGG као триптофан, и код сисара AUA престаје да представља изолеуцин и уместо њега се чита као и AUG за метионин. Тиме се омогућава читање свих кодона изван кодонских фамилија са 14 парова. Скуп од 22 идентификована гена стога кодирају 14 тРНК молекула који представљају парове, и 8 тРНК молекула који представљају фамилије. То оставља два некориштена терминациона кодона UAG i UAA које тРНК молекули не препознају, заједно са кодонским паром AGA(G). Слична правила следе митохондрије гљивица.

Поред општих промена кода, постоје специфичне промене у читању индивидуалних гена. Специфичност таквих промена подразумева да је читање појединог кодона зависно од окружујућих база. Упадљив промер је инкорпорација модификоване амино киселине селеноцистеина на појединим UGA кодонима унутар гена који кодирају селенопротеине код прокариота и еукариота. Обично ти протеини катализују реакције оксидо-редуцију, и садрже један селеноцистеински остатак, који формира део активног места. Најбоље је позната употреба UGA кодона у три -E. coli gena koji kodiraju format dehidrogenazne izozime. Interni UGA kodon se čita pomoću seleno-Cys-tRNK. Ova neobična reakcija je određena lokalnom sekundarnom strukturom iRNK, posebno prisustvom matične petlje u sekvenci neposredno ispod UGA. Mutacije u četiri Sel gena kreiraju deficit selenoproteinske sinteze.

Kodon-antikodon prepoznavanje

Funkcija tRNK u proteinskoj sintezi je izvršena nakon prepoznavanja kodona unutar ribozoma. Interakcija između antikodona i kodona se sastoji od sparivanja baza na način koji ide izvan uobičajenog formiranja G-C i A-U veza. Pravila kojima se pokoravaju ove interakcije se mogu izvesti iz sekvenci antikodona. Sposobnost bilo koje tRNK da odgovori na određeni kodon se može direktno meriti putem testa trinukleidnog vezivanja ili njegovom upotrebom u in vitro proteinskom sintetičkom sistemu. Sam genetički kod daje važne indikacije o procesu prepoznavanja kodona. Obrazac degeneracije treće baze ukazuje da je u skoro svim slučajevima ta baza ili nije relevantna, ili se razlika pravi samo između purina i pirimidina. Postoji osam familija kodona u kojima sva četiri kodona imaju zajedničke prve dve baze, tako da treće nema ulogu u specificiranju aminokiseline. Kod sedam kodonskih parova značenje ne zavisi od tipa pirimidina u trećoj poziciji, i kod pet kodonskih parova to je slučaj sa purinom.

Ako se na genetički kod gleda u suprotnom smeru, postoje samo tri slučaja kod kojih se jedinstveno značenje dobija prisustvom određene baze u trećoj poziciji: AUG (za metionin), UGG (za triptofan), i UGA (terminacija). Iz toga sledi da C i U nemaju jedinstveno značenje u trećoj poziciji, dok A nikad ne označava jedinstvenu aminokiselinu. Pošto je antikodon komplementaran sa kodonom, prva baza antikodona se sparuje sa trećom bazom kodona. Na primer kodon ACG / antikodon CGU označava:

Kodon	5' A C G 3'
Antikodon	3' U G C 5'

Prva baza antikodona	Treća baza kodona
U	A ili G
C	samo G
A	samo U
G	C ili U

Često jedna iRNK može da prepozna više kodona. To znači da baze u prvoj poziciji antikodona moraju da imaju sposobnost formiranja interakcija sa alternativnim bazama u odgovarajućoj trećoj poziciji kodona. Sparivanje baza u toj poziciji ne može da bude ograničeno na uobičajene G-C i A-U parove. Pravila koja određuju obrasce prepoznavanja se mogu sumirati hipotezom fleksibilnosti, koja navodi da sparivanje između kodona i antikodona u prve dve pozicije kodona uvek sledi uobičajena pravila, dok se fleksibilnost javlja u trećoj poziciji. Do toga dolazi zato što konformacija petlje tRNK antikodona omogućava fleksibilnost na prvoj bazi antikodona. Pravila prepoznavanja treće baze kodona dozvoljavaju dodatno sparivanje između G i U. Ta jedna promena formira obrazac baznog sparivanja u kome A više nema jedinstveno značenje u kodonu, jer U koje ga prepoznaje mora isto tako da prepozna G. Slično tome C takođe više nema jedinstveno značenje, jer G koje ga prepoznaje mora takođe da prepozna U. Prepoznavanje jedinstvenih kodona je moguće samo kad je treća baza G ili U. Ta opcija se ne koristi često. UGG i AUG su jedini primeri prvog tipa, a nema primera drugog tipa.

G-U parovi su česti u RNK dupleks strukturama. S druge strane formiranje stabilnih kontakta između kodona i antikodona, gde se samo tri para baza mogu formirati je znatno ograničenije, i stoga G-U parovi mogu da doprinesu samo u zadnjoj poziciji kodona.

Uticaj modifikovanih baza na tRNK

Transportna RNK je jedinstvena među nukleinskim kiselinama po svom sadržaju „neuobičajenih” baza. Neuobičajena baza je svaki purinski ili pirimidinski prsten izuzev uobičajenih A, G, C i U koje ulaze u sastav svih RNK. Sve druge baze se formiraju putem modifikacije jedne od četiri baze nakon njene inkorporacije u poliribonukleinski lanac. Sve klase RNK pokazuju izvestan stepen modifikacija, ali svim slučajevima izuzev tRNK to je ograničeno na veoma jednostavne slučajeve, kao što je adicija metil grupa. Kod tRNK se javlja širok niz modifikacija, koje se kreću od od jednostavne metilacije do potpune rekonstrukcije purinskog prstena. Modifikacije se javljaju u svim delovima tRNK molekula. Lista modifikovanih nukleotida sadrži oko pedeset baza.

Modifikacije pirimidina (C i U) su manje kompleksne od modifikacija purina (A i G). Osim modifikacija samih baza, dolazi i do metilacije na 2'-O poziciji riboznog prstena. Najčešće modifikacije uridina su jednostavne. Metilacija u poziciji 5 kreira ribotimidin (T). Baza je ista sa bazom timidina, ali je vezana za ribozu umesto dezoksiriboze. Dihidrouridin (D) se formira zasićenjem dvostruke veze, čime se menja prsten. U pseudouridinu (Ψ) su zamenjene pozicije N i C atoma prstena, dok 4-tiouridin ima sumpor umesto kiseonika. Nukleozid inozin se normalno javlja u ćelijama kao intermedijar puta biosinteze purina. On se ne unosi direktno u RNK, nego se formira modifikacijom adenozina. Druge modifikacije anadenozina su dodaci kompleksnih grupa. Dve kompleksne serije nukleozida se formiraju promenom guanozina. Q baze poput kjuozina, imaju dodatni pentenilni prsten dodat preko NH veze na metil grupu 7-metilguanozina. Pentenilni prsten može da nosi različite grupe. Y baze poput viozina, imaju dodatni prsten kondenzovan sa purinskim prstenom. Taj dodatni prste ima dugačak lanac na kome mogu da budu prisutne razne grupe.

Reakcija modifikacija se obično sastoje od promene ili adicije postojećih baza u tRNK. Izuzetak je sinteza Q baza, gde specijalni enzimi zamenjuju guanozinski ostatak kjuozinskim ostatkom u RNK. Reakcija se sastoji od raskidanja i formiranja veza sa obe strane nukleozida. Ostali modifikovani nukleozidi se sintetišu specifičnim tRNK modifikujućim enzimima. Originalni nukleozid prisutan u datoj poziciji se može odrediti bilo poređenjem sekvence tRNK sa genom ili putem izolovanja prekursorskog molekula kome nedostaju neke ili sve modifikacije. Sekvence prekursora pokazuju da se različite modifikacije uvode u različitim fazama tokom maturacije DNK. Neke modifikacije su konstantne osobine svih tRNK molekula, na primer D ostaci po kojima je formirano ime D ruka, i Ψ nađen u TΨC sekvenci. Na 3' kraju antikodona se uvek javlja modifikovani purin, mada modifikacija može znatno da varira. Druge promene su specifične za pojedine tRNK molekule ili grupe tRNK molekula. Na primer, viozinske baze su karakteristika tRNK^Phe kod bakterija, kvasaca i sisara.

Osobine koje prepoznaju tRNK modifikujući enzimi su nepoznate. Kad je specifična modifikacija prisutna na više mesta u tRNK molekulu to ne mora da znači da je isti enzim napravio sve promene, na primer, različiti enzimi mogu da budu potrebni za sintezu pseudouridina na svakoj lokaciji. Postoji znatan broj modifikujućih enzima. Neki enzimi vrše pojedinačne reakcije sa individualnim RNK molekulima, dok drugi imaju širi opseg supstrata. Pojedine promene se vrše putem sukcesivnog dejstva više enzima. Najdirektniji učinak modifikacije je u antikodonu, gde promena sekvence utiče na sposobnost vezivanja kodona, te određuje značenje tRNK molekula. Promene na drugim mestima u blizini antikodona isto tako utiču na vezivanje kodona. Promena baza antikodona može da formira dodatne obrasce uparivanja baza, kao što su tiouracil-guanin, uracil-inozin, i adenin-inozin.

Interakcije sa proteinima

Funkcionisanje DNK je zavisno od interakcija sa proteinima. Proteinske interakcije mogu da budu nespecifične, ili se protein može vezati za specifičnu DNK sekvencu. Enzimi se takođe vezuju za DNK, i među njima su posebno važne polimeraze koje kopiraju DNK sekvencu tokom transkripcije i replikacije DNK.

DNK vezujući proteini

Interakcija DNK (narandžasto) sa histonima (plavo). Bazne aminokiseline tih proteina se vezuju za kisele fosfatne grupe DNK.

Lambda represor heliks-zavoj-heliks transkripcioni faktor vezan za njegov DNK cilj (1LMB​)

Strukturni proteini koji se vezuju za DNK su dobro izučeni primeri nespecifičnih DNK-protein interakcija. U hromozomima, DNK je smeštena u kompleksima sa strukturnim proteinima. Ti proteini organizuju DNK u kompaktne hromatinske strukture. Kod eukariota u njima je DNK vezana u komplekse sa histonima, dok je kod prokariota više tipova proteina prisutno. Histoni formiraju komplekse u obliku diska, nukleozome. Te nespecifične interakcije se formiraju putem jonskih veza između baznih ostataka histona sa kiselom šećerno fosfatnom osnovom DNK, te su stoga u znatnoj meri nezavisne od sekvence baza.

Hemijske modifikacije baznih aminokiselinskih ostataka su metilacija, fosforilacija i acetilacija. Te hemijske promene menjaju jačinu interakcije između DNK i histona, što čini DNK manje dostupnom za transkripcione faktore te se menja brzina transkripcije. Drugi nespecifični DNK vezujući proteini u hromatinu su grupe proteina visoke mobilnosti, koje se vezuju da bi se savila ili iskrivila DNK. Ti proteini su važni u savijanju grupa nukleozome i njihovog organizovanja u veće strukture koje sačinjavaju hromozome.

Posebna grupa DNK-vezujućih proteina su proteini koji se specifično vezuju jednolančanu DNK. Kod ljudi, replikacioni protein A je najbolje izučeni član ove familije. On učestvuje u procesima gde je dvostruki heliks razdvojen, uključujući replikaciju DNK, rekombinaciju i popravku DNK. Vezivanje tih proteina stabilizuje jednolančanu DNK i štiti je od formiranja matičnih petlji (uzrokovanih uparivanjem baza isto lanca), kao i od degradacije nukleazama.

Drugi proteini su evoluirali da se vežu za specifične DNK sekvence. Među njima su najintenzivnije studirani različiti transkripcioni faktori, koji regulišu transkripciju. Svaki transkripcioni faktor se vezuje za jedan specifičan segment DNK sekvence, i aktivira ili inhibira transkripciju gena koji imaju te sekvence u blizini njihovih promotera. Transkripcioni faktori deluju na dva načina. Oni mogu da se vežu za RNK polimerazu odgovornu za transkripciju, bilo direktno ili putem drugih posredničkih proteina. Time se dovodi polimeraza na promoter i omogućava početak transkripcije. Alternativno, transkripcioni faktori se mogu vezati za enzime koji modifikuju histone na promoterima. Time se menja pristupačnost DNK templeta za polimeraze.

Ovi DNK ciljevi se mogu javiti širom genoma jednog organizma, te stoga promene u aktivnosti jednog tipa faktora transkripcije faktora mogu da utiču na hiljade gena. Konsekventno, ti proteini su često meta za procese prenosa signala koji kontrolišu odgovore na promene u okolini, ili na ćelijsku diferencijaciju i razvoj. Specifičnost interakcija transkripcionih faktora sa DNK molekulom se proizvodi kontaktom proteina sa ivicama DNK baza, što im omogućava da „čitaju” DNK sekvence. Većina tih interakcija sa bazama se odvija u glavnom žlebu, gde su baze najpristupačnije.

Enzimi koji modifikuju DNK

Nukleaze

EcoRV rascepljuje DNK. Protein se labavo vezuje za DNK i skenira je tražeći svoju sekvencu. Kad je nađe, EcoRV povije DNK za 50° i razdvoji prepoznatu sekvencu.

Restrikcioni enzim EcoRV (zeleno) u kompleksu sa njegov supstratom DNK, (1RVA​).

Nukleaze su enzimi koji presecaju DNK lance putem katalizovanja hidrolize fosfodiestarskih veza. Nukleaze koje hidrolizuju nukleotide sa krajeva DNK lanaca se nazivaju eksonukleaze, dok endonukleaze mogu da presecaju unutar lanaca.

Egzonukleaze odvajaju jedan po jedan nukleotid sa kraja polinukleotidnog lanca. Reakcijom hidrolize se raskidaju fosfodiesterske veze sa bilo 3’ ili 5’ kraja. Eukarioti i prokarioti imaju tri tipa egzonukleaza koje učestvuju u normalnom prometu iRNK: 5’ do 3’ egzonukleaza, koja je zavisna od dekapirajućeg proteina, 3’ do 5’ egzonukleaza, koja je nezavistan protein, i poli(A)-specifična 3’ do 5’ egzonukleaza.

Sekvenca DNK prepoznavanja EcoRV-a. Zelena linija označava mesto presecanja.

Najčešće korišćene nukleaze u molekularnoj biologiji su restrikcione endonukleaze, koje presecaju DNK na specifičnim sekvencama. Na primer, EcoRV enzim prepoznaje šestobaznu sekvencu ATC-3’ i preseca je na mestu označenom vertikalnom linijom. U prirodi, ti enzimi štite bakterije protiv fagne infekcije. Nakon unosa fagne DNK u bakterijsku ćeliju na nju deluje restrikcioni modifikacioni sistem. U tehnologiji se nukleaze specifične za pojedine sekvence koriste u molekulskom kloniranju i DNA rekombinaciji.

Flap endonukleaze (takođe poznate kao 5' nukleaze u starijoj literaturi) su klasa nukleolitičkih enzima koji deluju kao 5'-3' egzonukleaze i strukturno specifične endonukleaze na specijalizovanim DNK strukturama koje se javljaju tokom replikacije, popravke i rekombinacije DNK. Flap endonukleaze su identifikovane kod eukariota, prokariota, arheja i nekih virusa. Organizmi mogu da imaju više od jednog homologa. Ova redundantnost može da služi kao indikacija važnosti ovih enzima. Kod prokariota, flap endokrinaze su prisutne na N-terminusnom domenu DNK polimeraze I. Neki prokarioti kodiraju i drugi homolog.

Enzim	Izvor	Sekvenca prepoznavanja	Presecanje
EcoRI	Ešerihija koli	5'GAATTC 3'CTTAAG	5'---G AATTC---3' 3'---CTTAA G---5'

Mnoge endonukleaze presecaju DNK u pozicijama koje nisu direktno jedna naspram druge, te se staraju prepusti. Primer takve nukleaze je EcoRI. Kad ovaj enzim naiđe na svoju sekvencu prepoznavanja, on preseca svaki lanac između G i najbližeg A baznog ostatka. Nakon presecanja, novonastali fragmenti se drže zajedno samo posredstvom relativno slabih vodoničnih veza koje sprežu komplementarne baze. Mala jačina ovih veza omogućava DNK fragmentima da se odvoje jedan od drugog. Svaki rezultujući fragment ima istureni 5' kraj koji se sastoji od nesparenih baza. Drugi enzimi presecaju DNK lance na suprotan način tako da se formiraju istureni 3' krajevi. Ovi jednolančani krajevi, 3' i 5', se ponekad nazivaju lepljivi krajevi zato što oni imaju tendenciju da se vezuju sa komplementarnim sekvencama baza. Drugim rečima, ako nespareni segment baza (5' A A T T 3') naiđe na drugi nespareni segment sa sekvencom (3' T T A A 5') oni će se vezati jedan za drugi. Ligaze zatim spajaju fosfatne osnove ta dva molekula. Ćelijsko poreklo lepljivih krajeva nema uticaja na njihovu sposobnost spajanja. Svaki par komplementarnih sekvenci ima tendenciju vezivanja, čak i u slučaju kombinacija dugačkih humanih DNK sekvenci i bakterijske DNK. Ovo svojstvo omogućava proizvodnju rekombinantnih DNK molekula, koji se sastoje od DNK fragmenata iz različitih izvora, i koji su formirani primenom tehnika genetičkog inženjeringa.

Ligaze

Primer rada ligaza na DNK fragmentima sa lepljivim krajevima

Enzimi DNK ligaze mogu da spoje odsečene ili pokidane DNK lance. Ligaze su posebne važnosti u replikaciji DNK zaostajućeg lanca, gde one spajaju kratke segmente DNK proizvedene na replikacionoj viljušci u kompletnu kopiju DNK templeta. One se takođe koriste u DNK popravci i genetičkoj rekombinaciji.

Mehanizam rada DNK ligaze se sastoji od formiranja dve kovalentne fosfodiestarske veze između 3' hidroksilnog kraja jednog nukleotida, (akceptora) i 5' fosfatnog kraja drugog (donora). ATP je neophodan za odvijanje reakcije posredovane ligazom. Reakcija se odvija u tri stepena: (1) adenilacija (adicija AMP-a) aminokiselinskog ostatka u aktivnom centru enzima, pirofosfat se oslobađa; (2) transfer AMP-a na 5' fosfat donora, čime se formira pirofosfatna veza; (3) formiranje fosfodiestarske veze između 5' fosfata donora i 3' hidroksila akceptora.

Ligaza takođe može da spaja tupe krajeve, mada su više koncentracije enzima i različiti eksperimentalni uslovi neophodni.

Kod sisara postoje četiri specifična tipa ligaze.

• DNK ligaza I: ligira novoformirani DNK zaostajući lanac nakon što ribonukleaza H ukloni RNK prajmer sa Okazakijevih fragmenata.
• DNK ligaza II: alternativno splajsovana forma DNK ligaze III koja je prisutna u ćelijama koje se ne dele.
• DNK ligaza III: formira komplekse sa proteinom DNK popravke XRCC1 da bi pomogla u spajanju DNK tokom procesa korekcije DNK.
• DNK ligaza IV: formira komplekse sa XRCC4. Ona katalizuje finalni korak u spajanju nehomogenih krajeva DNK tokom popravke raskinutog dvostrukog lanca. On je takođe neophodna za V(D)J rekombinaciju, proces kojim se generiše raznovrsnost imunoglobulina i lokusa T-ćelijskih receptora tokom razvoja imunskog sistema.

DNA ligaza kod E. coli koristi energiju stečenu raskidanjem nikotinamid adenin dinukleotida (NAD) da formira fosfodiestersku vezu. DNK ligaza eukariota kao i nekih mikroba koristi adenozin trifosfat (ATP) umesto NAD-a.

Topoizomeraze

Struktura topoizomeraze II iz kvasca vezana za dvostruko raskinuti dupleks DNK sa 34 nukleotida (2RGR​).

Postoje tri glavna tipa topologije: supernamotavanje, učvoravanje i katenacija. Izvan esencijalnih procesa replikacije ili transkripcije, DNK se održavana u kompaktnom obliku, i ova tri topološka stanja pomažu u tome. Međutim, u toku transkripcije ili replikacije DNK mora biti slobodna, te ova tri stanja znatno ometaju proces. Dodatno, tokom replikacije, novoformirani i originalni DNK dupleksi se isprepleću i moraju biti kompletno razdvojeni da bi se održao genomski integritet ćelija tokom deobe. Kako transkripcioni mehur napreduje, DNK ispred transkripcione viljuške postaje prekomerno uvijena, ili pozitivno supernamotana, dok DNK iza transkripcionog mehura postaje odvijena, ili negativno supernamotana.

Topoizomeraze mogu da reše ove topološke probleme. One su enzimi sa nukleaznom i ligaznom aktivnošću. Ovi proteini menjaju količinu supernamotavanja u DNK molekulu. Deo enzima ove grupe deluje tako što presecaju DNK heliks i omogućavaju jednoj sekciji da rotira, čime se umanjuje njen nivo supernamotavanja. Enzim zatim zatvara DNK prekid. Drugi tipovi ovih enzima imaju sposobnost prekidanja jednog DNK heliksa i zatim propuštanja drugog lanca kroz ovaj prekid, pre nego što ponovo spoje heliks.

Topoizomeraze se dele na dva tipa na osnovu broja presečenih lanaca u jednom krugu delovanja: Obe klase enzima koriste konzervirani tirozin, međutim ovi enzimi su strukturno i mehanistički različiti.

• Tip I topoizomeraza preseca jedan lanac DNK dvostrukog heliksa, dolazi do relaksacije, i nakon toga presečeni lanac se poveže. Tip I topoizomeraze se dalje dele u dve podklase: tip IA topoizomeraze, koje imaju zajedničke mnoge strukturne i mehanističke osobine sa topoizomerazama tipa II, i tip IB topoizomeraze, koje koriste kontrolisani rotacioni mehanizam. Primeri tip IA topoizomeraza su topo I i topo III. Istorijski, tip IB topoizomeraze su nazivane eukariotske topo I, mada su IB topoizomeraze prisutne u svim životnim domenima. Tip IA topoizomeraze formiraju kovalentni intermedijar sa 5' DNK krajem, dok IB topoizomeraze formiraju kovalentni intermedijar sa 3' DNA krajem. Nedavno je tip IC topoizomeraza bila identifikovana. Ona se naziva topo V. Dok je ona strukturno jedinstvena u odnosu na tip IA i IB topoizomeraze, ona ima sličan mehanizam sa topoizomerazom tipa IB .
• Tip II topoizomeraza preseca oba lanca DNK dvostrukog heliksa. Takođe postoje dve podklase: tip IIA i tip IIB topoizomeraze, koje imaju slične strukture i mehanizam. Primeri tip IIA topoizomeraze su eukariotski topo II, E. coli giraza, i E. coli topo IV. Primer tipa IIB topoizomeraze je topo VI.

Oba tipa (I i II) topoizomeraze menjaju DNK koeficijent vezivanja. Topoizomeraze tipa IA menjaju koeficijent vezivanja za jedan, tip IB i tip IC topoizomeraze menjaju taj parametar za bilo koji ceo broj, dok tip IIA i tip IIB topoizomeraze menjaju koeficijent vezivanja za dva.

Helikaze

Helikaze su proteini koji su tip molekulskih motora. One koriste hemijsku energiju nukleozid trifosfata, predominantno ATP-a, da raskinu vodonične veze između baza i da odviju DNK dvostruki heliks u jednostruke lance. Ovi enzimi su esencijalni za većinu procesa u kojima je neophodno da se razdvoje lanci DNK lanci (replikacija DNK, transkripcija, translacija, rekombinacija, DNK popravka, biogeneza ribozoma). One se postepeno kreću duž dvostrukog lanca nukleinske kiseline. Pravac i mehanizam dejstva su zavisni od tipa enzima.

RuvA helikaza Ešerihije koli. (1CUK​)

Helikaze poprimaju različite strukture i oligomerizaciona stanja. DnaB helikaze imaju oblik heksamernog prstena. Drugi enzimi su aktivni u obliku monomera ili dimera. Ispitivanja su pokazala da helikaze mogu da deluju pasivno, čekajući da dođe do nekatalisanog odvijanja nakon čega one razdvajaju lance, ili da aktivno učestvuju u separaciji lanaca koristeći energiju generisanu hidrolizom ATP-a. U ovom drugom slučaju, helikaze deluju poput molekulskih motora, odvijajući i translocirajući svoj supstrat koristeći hemijsku energiju. Helikaze mogu da funkcionišu mnogo brže in vivo nego in vitro usled prisustva pomoćnih proteina koji posreduju destabilizaciju DNK račve.

Helikaze se klasifikuju u nekoliko superfamilija. Sve helikaze vezuju ATP, i stoga sadrže klasične motive: Valker A (petlja vezivanja fosfata ili P-petlja) i Valker B (aspartična kiselina za vezivanje Mg²⁺).

• Superfamilija I: UvrD (DNK popravka kod E. coli), Rep (DNK replikacija kod E. coli), PcrA (rekombinacija kod Staphylococcus aureus), Dda (inicijacija replikacije bakteriofaga T4), RecD (rekombinaciona popravka kod E. coli), TraI (konjugativni DNK transfer F-plazmida). Ova familija obuhvata RNK helikaze koji učestvuju u odmotavanju dupleksa tokom viralne RNK replikacije.
• Superfamilija II: RecQ (DNK popravka E. coli), eIF4A (RNK translacija kod pekarskog kvasca), WRN (DNK popravka), NS3 (replikacija Hepatitis C virusa)
• Superfamilija III: LTag (replikacija SV40 virusa), E1 (replikacija Ljudskog papilomskog virusa), Rep (replikacija, viralna integracija, i pakovanje Adeno asociranog virusa). Superfamilija 3 se sastoji od helikaza koje uglavnom kodiraju mali DNK virusi i neki od velikih nukleocitoplazmatičnih DNK virusa.
• Familija slična DnaB helikazi: DnaB (replikacija E. coli), gp41 (DNK replikacija bakteriofaga T4), T7gp4 (DNK replikacija bakteriofaga T7).
• Familija slična Ro faktoru: Ro (terminacija transkripcije E. coli).

Ove superfamilije ne obuhvataju sve poznate helikaze. Na primer, XPB i ERCC2 su helikaze koje nisu svrstane u gore navedene familije.

Defekti gena koji kodiraju helikaze mogu da uzrokuju Vernerov sindrom. To je poremećaj koji je prepoznatljiv po pojavi prevremenog starenja.

Polimeraze

RNK polimeraza II kvasca Saccharomyces cerevisiae koja se sastoji od 12 podjedinica. (2B8K​)

Polimeraze su enzimi koji sintetišu polinukleotidne lance iz nukleozidnog trifosfata. Sekvence njihovih produkata su kopije postojećih polinukleotidnih lanaca — koji se nazivaju templetima. Ovi enzimi funkcionišu tako što dodaju nukleotide na 3’ hidroksilnu grupu prethodnog nukleotida u DNK lancu. Konsekventno, sve polimeraze idu u 5’ ka 3’ smeru. U aktivnom mestu tih enzima, novi nukleozid trifosfat formira bazni par sa templetom, čime omogućava polimerazi da precizno sintetiše komplementarni lanac. Polimeraze se klasifikuju po tipu templeta koji koriste.

Tokom replikacije DNK, DNK polimeraze formiraju kopiju DNK sekvence. Preciznost je od vitalnog značaja u ovom procesu, tako da mnoge polimeraze imaju sposobnost vršenja korekcija. Polimeraza lako prepoznaje povremene greške u reakciji sinteze zato nema baznog sparivanja između neusklađenih nukleotida. Ako se neslaganje detektuje, 3’ ka 5’ egzonukleaza se aktivira i pogrešna baza se uklanja. U većini organizama, DNK polimeraze funkcionišu unutar velikih kompleksa. Oni se nazivaju replizomima i sadrže niz pomoćnih podjedinica, kao što su DNK stege i helikaze.

DNK polimeraze koje su zavisne od RNK su specijalizovana klasa polimeraza koja kopira sekvencu RNK lanca u DNK. U ovu klasu se ubrajaju reverzna transkriptaza, koja je viralni enzim koji učestvuje u infekciji ćelija retrovirusima, i telomeraza, koja je neophodna za replikaciju telomera. Telomeraza je neobična polimeraza zato što sadrži svoj sopstveni RNK templet, kao integralni deo svoje strukture.

Transkripciju izvodi DNK-zavisna RNK polimeraza koja kopira sekvencu DNK lanca u RNK. Da bi započela transkripciju gena, RNK polimeraza se veže za DNK sekvencu promotera i razdvoji DNK lance. Ona zatim kopira sekvencu gena na iRNK transkript dok ne dođe do DNK regiona koji se naziva terminator, gde se zaustavlja i odvaja od DNK. Kao i DNK polimeraze, RNK polimeraza II, enzim koji transkribuje većinu gena u genomu eukariota, operiše kao deo većeg proteinskog kompleksa sa višestrukim regulatornim podjedinicama. RNK polimeraza II je kompleks sa masom od 550 kDa, koji se sastoji od dvanaest podjedinica. RNAP II je najbolje ispitani tip RNK polimeraze. Znatan broj transkripcionih faktora je neophodan da bi se ovaj enzim vezao za promotere i počeo transkripciju.

Evolucija

DNK sadrži genetičke informacije koje omogućavaju svim životnim formama da funkcionišu, rastu i razmnožavaju se. Međutim, nije jasno koliko dugo je tokom zadnjih četiri milijarde godina istorije života DNK obavljala tu funkciju. Po jednoj pretpostavci najranije forme života su koristile RNK kao osnovu genetičkog materijala. Moguće je da je RNK delovala kao centralni deo ranog ćelijskog metabolizma pošto ona ima sposobnost prenosa genetičke informacije, kao i izvođenja katalize u okviru ribozima. Takav drevni RNK svet u kome bi nukleinska kiselina bila korišćena za katalizu i genetiku je možda uticao na evoluciju sadašnjeg genetičkog koda baziranog na četiri nukleotidne baze. Do toga bi došlo, pošto bi broj različitih baza u takvom organizmu bio kompromis između malog broja baza kojim se povećava replikaciona preciznost i većeg broja baza kojim se uvećava katalitička efikasnost ribozima.

Ne postoje direktni dokazi za postojanje takvih drevnih genetičkih sistema. Razlog za to je DNK ekstrakcija iz velike većine fosila nije moguća pošto DNK može da opstane manje od milion godina. U vlažnoj sredini ona se vremenom razlaže u kratke fragmente. Uprkos tome, nalazi starije DNK su bili objavljeni. Na primer, poznat je izveštaj o izolaciji održive bakterije iz kristala soli starog 250 miliona godina. Ti nalazi su kontroverzni.

Jedan izveštaj objavljen avgusta 2011. koji je baziran na NASA ispitivanjima meteorita nađenog na Zemlji sugeriše da gradivni blokovi DNK (adenin, guanin i srodni organski molekuli) možda imaju vanzemaljsko poreklo.

Tehnološka primena

Genetički inženjering

Ljudske ćelije u kojima su neki proteini spojeni sa zelenim fluorescentnim proteinom da bi se omogućila njihova vizuelizacija

Genetički inženjering je direktna ljudska manipulacija genoma nekog organizma koristeći modernu DNK tehnologiju. Ona obuhvata uvođenje strane DNK ili sintetičkih gena u organizam. Uvođenje nove DNK ne zahteva upotrebu klasičnih genetičkih metoda, međutim tradicionalni metodi uzgoja se tipično koriste za propagaciju rekombinantnih organizama. Organizam koji je formiran uvođenjem rekombinantne DNK se smatra genetički modifikovanim organizmom. Prvi genetički modifikovani organizmi su bile bakterije 1973. i zatim miševi 1974. Bakterije koje proizvode insulin su komercijalizovane 1982. i genetički modifikovana hrana je u prodaji od 1994.

Metode su razvijene za DNK prečišćavanje iz ćelija organizma, kao što je fenol-hloroformna ekstrakcija, i za njenu laboratorijsku manipulaciju, npr. restrikciona razlaganja i polimerazna lančana reakcija. Moderna biologija i biohemija intenzivno koriste te tehnike u okviru rekombinantne DNK tehnologije. Rekombinantna DNK je veštačka DNK sekvenca koja je formirana od drugih DNK sekvenci. Takve sekvence se mogu uneti u organizam u obliku plazmida ili u odgovarajućem formatu, koristeći viralni vektor.

Najčešća forma genetičkog inženjeringa je umetanje novog genetičkog materijala na nepoznatoj lokaciji u genomu domaćina. To se ostvaruje izolovanjem i kopiranjem željenog genetičkog materijala koristeći metode molekulskog kloniranja da bi se formirala DNK sekvenca koja sadrži neophodne genetičke elemente za ekspresiju, i zatim njeno umetanje u organizam domaćina. Druge forme genetičkog inženjeringa su ciljanje gena (zamena bazirana na homolognoj rekombinaciji) i uklanjanje (nokaut) specifičnih gena putem projektovanih nukleaza kao što su nukleaze cinkovog prsta, ili projektovane homing endonukleaze.

Tehnike genetičkog inženjeringa se koriste u brojnim poljima naučnih istraživanja, biotehnologiji, i medicini. Genetički modifikovani organizmi nalaze primenu u izradi proizvoda kao što su rekombinantni proteini, oni se koriste u medicinskim istraživanjima, i kao poljoprivredni usevi. Lekove kao što su insulin i ljudski faktor rasta proizvode bakterije, eksperimentalni miševi kao što su onkomiševi i nokaut miševi se koriste u istraživanjima, repelanti insekata i/ili usevi tolerantni na herbicide su komercijalizovani. Genetički modifikovane biljke i životinje koje imaju sposobnost proizvodnje biotehnoloških lekova uz manje troškove proizvodnje od sadašnjih metoda se takođe razvijaju. FDA je 2009. odobrila prodaju farmaceutskog proteina antitrombina proizvedenog u mleku genetički modifikovane koze.

Forenzika

Forenzička analiza može da koristi DNK iz krvi, sperme, kože, pljuvačke ili kose nađene na mestu zločina za identifikaciju podudarajuće DNK neke osobe, kao što je počinilac. Ovaj proces se formalno naziva DNK profilisanje, a poznat je i kao „uzimanje genetičkog otiska”. Mada je 99,9% DNK sekvenci isto kod svih ljudi, dovoljna količina DNK se razlikuje, tako da moguće razlikovati jednu osobu od druge, ukoliko one nisu monozigotni blizanci. U DNK profilisanju, dužina promenljivih sekcija ponavljajuće DNK, kao što su kratka tandemna ponavljanja i minisateliti, se porede između ljudi. Taj metod je obično izuzetno pouzdana tehnika za identifikaciju podudarne DNK. Međutim, identifikacija može da bude komplikovana ako je mesto zločina kontaminirano sa DNK-om od nekoliko ljudi. DNK profilisanje je razvio 1984. britanski genetičar Sir Alek Džefriz, i prvi put je korišćeno u forenzičkoj nauci da se osudi Kolin Pičfork 1988, u slučaju Enderbi ubistava.

Razvoj forenzičke nauke, i sposobnosti da se dobiju genetička podudaranja korišćenjem veoma malih uzoraka krvi, kože, pljuvačke ili kose je dovela do ponovnog ispitivanja brojnih slučajeva. Genetičkim profilisanjem se može proizvesti evidencija koja nije postojala tokom originalnog ispitivanja. U kombinaciji sa uklanjanjem zakona o ponovljenim sudskim procesima, postalo je moguće da se ponovo otvore slučajevi sa ranijim neuspešnim presudama usled nedostatka evidencije. Od ljudi optuženih za teške zločine se zahteva da daju uzorak DNK radi profilisanja. Rezultati DNK profilisanja se često dovode u pitanje tvrdnjama o kontaminaciji tokom uzimanja uzoraka. To je dovelo do razvoja detaljnih i strogih procedura rukovanja uzorcima novih slučajeva teških krivičnih dela. DNK profilisanje se takođe koristi za identifikaciju žrtava masovnih incidenata. Osim pozitivne identifikacije tela ili delova tela ozbiljnih incidenata, DNK profilisanje se uspešno koristi i za identifikaciju žrtava u masovnim ratnim grobnicama, putem DNK poređenja sa članovima porodice.

Bioinformatika

Bioinformatika se bavi manipulacijom, pretraživanjem i analizom bioloških podataka, što obuhvata DNK sekvence. Termin bioinformatika je skovan pre početka „genomske revolucije”. Paulien Hogeveg i Ben Hesper su uveli ovaj termin 1978. sa značenjem „studiranje informacionih procesa u biološkim sistemima”. Ova definicija stavlja bioinformatiku kao polje paralelno sa biofizikom ili biohemijom. Međutim, njena primarna upotreba od kasnih 1980-ih je bilo opisivanje primene informatike i informacionih nauka u analizi bioloških podataka, posebno u oblastima genomike koje se bave DNK sekvenciranjem velikih razmera.

Tokom zadnjih nekoliko dekada brz razvoj genomike i drugih molekularnih istraživačkih tehnologija, u kombinaciji sa razvojem informacionih tehnologija su proizveli ogromne količine molekularno bioloških informacija. Razvoj tehnika za skladištenje i pretraživanje DNK sekvenci su doveli do široke primene sofisticirane informatike, posebno algoritama za pretragu nizova, mašinskog učenja i teorije baza podataka. Pretraživanje nizova ili primena algoritama podudaranja, koji nalaze pojavu sekvence slova unutar veće sekvence slova, su razvijeni specifično za pretraživanje nukleotidnih sekvenci. DNK sekvenca se može poravnati sa drugim DNK sekvencama da bi se identifikovale homologne sekvence i locirale specifične mutacije koje ih čine osobenim. Te tehnike, a posebno poravnavanje višestrukih sekvenci, se koriste u studiranju filogenetičkih odnosa i proteinske funkcije.

Mapa X hromozoma čoveka

Podatke koji obuhvataju celokupne genome, kao što su na primer podaci koje je proizveo Projekat ljudskog genoma, je teško koristiti bez zapisa koji identifikuju lokacije gena i regulatornih elemenata na svakom hromozomu. Regioni DNK sekvence koji imaju karakteristične obrasce asocirane sa proteinskim ili RNK kodirajućim genima se mogu identifikovati primenom algoritama za predviđanje gena, koji omogućavaju formiranje hipoteza o postojanju specifičnih genskih proizvoda i o njihovim mogućim funkcijama u pojedinom organizmu pre nego što dođe do njihove eksperimentalne identifikacije i izolacije. Poređenja celokupnih genoma mogu da daju indikacije o evolucionoj istoriji pojedinog organizma i omoguće razmatranje kompleksnih evolucionih događaja.

Bioinformatika je primenjivana od samog početka „genomske revolucije”. Ona se koristi u formiranju i održavanju baza podataka za skladištenje bioloških informacija, kao što su nukleotidne i aminokiselinske sekvence. Razvoj tog tipa baza podataka se sastoji ne samo od projektovanja strukture podataka, nego i od razvoja kompleksnih interfejsa koji omogućavaju pristup postojećim podacima, kao i unosa novih ili revidiranih podataka.

Da bi se izučavalo kako se normalne ćelijske aktivnosti menjaju u različitim stanjima bolesti, biološki podaci se moraju kombinovati. Na taj način se formira sveobuhvatna slika tih aktivnosti. Polje bioinformatike je evoluiralo tako što je fokus stavljen na analizu i interpretaciju mnoštva različitih tipova podataka. To obuhvata nukleotidne i aminokiselinske sekvence, proteinske domene, i proteinske strukture. Sam proces analiziranja i interpretacije podataka se naziva računska biologija. Važne poddiscipline u okviru bioinformatike i računske biologije su:

• razvoj i implementacija oruđa koja omogućavaju efikasan pristup, korišćenje i upravljanje različitim tipovima informacija.
• razvoj novih algoritama i statističkih tehnika za određivanje odnosa i relacija među članovima velikih grupa podataka. Na primer, metodi za lociranje gena u sekvencama, predviđanje proteinske strukture i/ili funkcije, i grupisanje proteinskih sekvenci u familije srodnih sekvenci.

Primarni cilj bioinformatike je povećavanje razumevanja bioloških procesa. Ono što je izdvaja od drugih pristupa je njen fokus na razvoju i primeni računarski intenzivnih tehnika za postizanje ovog cilja. Neki od primera toga su: algoritmi za prepoznavanje obrazaca, analizu podataka i mašinsko učenje, kao i tehnike za vizuelizaciju bioloških podataka. Glavni istraživački napori u oblasti uključuju poravnavanje sekvenci, nalaženje gena, izučavanje strukture genoma, dizajn lekova, otkrivanje lekova, strukturno poravnavanje proteina, predviđanje proteinske strukture, predviđanje ekspresije gena i protein-protein interakcija, izučavanja genomskih asocijacija i modelovanje evolucije.

Postoje dva fundamentalna načina modelovanja bioloških sistema (npr. živih ćelija).

• Statički
  • Sekvence – Proteini, nukleinske kiseline i peptidi
  • Strukture – Proteini, nukleinske kiseline, ligandi (uključujući metabolite i lekove) i peptidi
  • Podaci o interakcijama između gornjih entiteta, koji obuhvataju podatke sa mikro nizova, i mreže proteina i metabolita
• Dinamički
  • Sistemska biologija se ubraja u ovu kategoriju, uključujući reakcione flukseve i promenljive koncentracije metabolita
  • Pristupi bazirani na modelovanju višestrukih agenasa kojima se opisuju ćelijski odgovori kao što je signalizacija, transkripcija i reakciona dinamika

Strukturna bioinformatika je široka potkategorija bioinformatike. Ona se bavi analizom i predviđanjem trodimenzionalne strukture bioloških makromolekula kao što su proteini, RNK i DNK. Ona proizvodi generalizacije makromolekularnih 3D struktura kao što su poređenja sveukupnih savijanja i lokalnih motiva, principi molekularnog savijanja, evolucije i interakcije vezivanja, i odnosi strukture i funkcije. Ona radi sa eksperimentalno uređenim strukturama i formira računarske modele. Termin strukturna ima ekvivalentno značenje kao i u strukturnoj biologiji. Strukturna bioinformatika se smatra delom računarske strukturne biologije.

DNK nanotehnologija

Šema DNK struktura sa leve strane se samostalno sklapa u strukturu prikazanu posredstvom mikroskopa atomskih sila sa desne strane. DNK nanotehnologija je polje koje se bavi dizajnom strukture na nanometarskoj skali koristeći svojstva molekulskog prepoznavanja DNK molekula.

DNK nanotehnologija koristi jedinstvena svojstva molekulskog prepoznavanja DNK i drugih nukleinskih kiselina da kreira samostalno formirajuće razgranate DNK komplekse koji imaju niz korisnih osobina. Na ovaj način se DNK upotrebljava kao strukturni materijal umesto kao nosilac bioloških informacija. To dovodi do kreiranja dvodimenzionih periodičnih rešetki (u obliku pločica i koristeći „DNK origami” metod), kao i trodimenzione strukture u obliku poliedra.

Nanomehanički uređaji i algoritamsko samostalno formiranje su isto tako bili demonstrirani. Te DNK strukture su bile korišćene kao templet za organizovanje drugih molekula kao što su nanočestice zlata i streptavidinski proteini.

Konceptualnu osnovu DNK nanotehnologije je položio Nadrijan Siman tokom ranih 1980-ih, a polje je počelo da privlači široko interesovanje početkom i sredinom 2000-ih. Ova oblast počinje da se koristi kao izvor oruđa za rešavanje problema bazne nauke u strukturnoj biologiji i biofizici, uključujući primenu u kristalografiji i spektroskopiji za demonstraciju proteinske strukture. Potencijalne praktične primene u elektronici molekularnih srazmera i nanomedicini se takođe istražuju.

DNK nanotehnologija se ponekad deli u dva preklapajuća potpolja: strukturnu DNK nanotehnologija i dinamičku DNK nanotehnologija. Strukturna DNK nanotehnologija ima fokus na sintezi i karakterizaciji nukleinsko kiselinskih kompleksa i materijala koji se sklapaju u statičko, ravnotežno krajnje stanje. S druge strane, dinamička DNK nanotehnologija se usredsređuje na komplekse sa korisnim neravnotežnim ponašanjem, kao što je sposobnost da se promeni konfiguracije nakon hemijskih i fizičkih stimulusa. Neki kompleksi kombinuju svojstva oba, strukturnog i dinamičkog potpolja, npr. nukleinsko kiselinski nanomehanički uređaji.

Ovaj molekul „dvostruke raskrsnice” (DX) se sastoji od pet DNK lanaca koji formiraju dva domena dvostrukog heliksa.

Kompleksi konstruisani primenom strukturne DNK nanotehnologije koriste razgranate strukture nukleinske kiseline koja sadrži tačke spajanja, za razliku od većine biološke DNK, koja se javlja kao nerazgranati dvostruki heliks. Jedna od najjednostavnijih razgranatih struktura, i prvo napravljena, je četvorostruka raskrsnica koja se sastoji od četiri individualna DNK lanca, čije porcije su komplementarne i imaju specifičan obrazac. Za razliku od prirodnog Holidejovog spoja, svaka ruka u veštačkom nepokretnom spoju ima različitu baznu sekvencu, te je raskrsnica fiksna u određenoj poziciji. Višestruki spojevi se mogu kombinovati u istom molekulu. U najširoj upotrebi su motivi „dvostrukih skretnica” (DX). Taj motiv se sastoji od dva paralelna dvostruka heliksna domena, gde individualni lanci prelaze iz jednog domena u drugi u dvema tačkama račvanja. Svaka tačka račvanja je sa topološkog gledišta raskrsnica sa četiri ruke, koja je ograničena u jednoj orijentaciji, što je u kontrastu sa fleksibilnim raskrsnicama. Ta krutost čini DX motiv podesnim strukturnim gradivnim blokom za veće DNK komplekse.

Dinamička DNK nanotehnologija često koristi mehanizam polaznom tačkom posredovanog zamenjivanja lanca da bi se omogućila rekonfiguracija kompleksa nukleinske kiseline. U ovoj reakciji, lanac se vezuje za region jednolančane početne tačke dvolančanog kompleksa, i zatim zamenjuje jedan od lanaca vezanih za originalni kompleks putem procesa migracije grane. Sveukupni efekat je zamena jednog lanca kompleksa, što omogućava da prisustvo prvog lanca deluje kao prekidač za kontrolu rekonfiguracije kompleksa. Moguće je napraviti strukture i uređaje koristeći funkcionalne nukleinske kiseline kao što su dezoksiribozimi i ribozimi, koji mogu da izvode hemijske reakcije, i aptamere, koji mogu da vežu specifične proteine ili male molekule.

Alternativni genetički polimeri

ANK (arabinoza)	FANK (2´-fluoroarabinoza)
TNK (treoza)	LNK („zaključana” riboza)
CeNK (cikloheksen)	HNK (anhidroheksitol)

Skladištenje i manipulacija genetičke informacije se u prirodi oslanjaju na samo dva polimera, DNK i RNK. Nije u potpunosti razjašnjeno da li je ova njihova uloga odražava evolucionu istoriju ili fundamentalna funkcionalna ograničenja molekula. Primenom projektovanih polimeraza se može pokazati da se genetička informacija može čuvati i koristiti primenom niza alternativnih genetičkih polimera baziranih na jednostavnoj arhitekturi nukleinskih kiselina koje se ne javljaju u prirodi, ksenonukleinskih kiselina (KNK). Podesnim izborom KNK aptamera, koji se vezuju za svoje ciljeve sa visokim afinitetom i specifičnošću, pokazano je da pored naslednosti, specifične ksenonukleinske kiseline imaju sposobnost Darvinske evolucije i formiranja definisanih struktura. Nedavno je objavljena studija u kojoj su opisana svojstva šest alternativnih genetičkih polimera koji se mogu koristiti za čuvanje i propagiranje informacije. Iz toga proizilazi da naslednost i evolucija, dva obeležja života, nisu ograničena na DNK i RNK nego da su verovatno pojavni oblici polimera koji imaju sposobnost skladištenja informacija.

Razvoj ksenonukleinskih kiselina označava početak ere sintetičke genetike, sa implikacijama za astrobiologiju, biotehnologiju i razumevanje života. Dosadašnji koraci izvan biološke genetike su skromni. Oni obuhvataju KNK molekule, koji su analogni sa biološkim nukleinskim kiselinama. Njihov šećer ili šećeru slična komponenta nije riboza. Ona je zamenjena različitim šećerima sa pet ugljenika (arabinozom u ANK, 2´-fluoroarabinozom u FANK), šećerom sa četiri ugljenika (treozom u TNK), i „zaključanim” riboznim analogom u LNK, ili strukturama sa šestočlanim prstenom (cikloheksenom u CeNK, anhidroheksitolom u HNK). Izučavanje ksenonukleinskih kiselina je inspirisano pitanjem o prvom genetičkom polimeru na Zemlji. Možda je to bila RNK, ali je isto tako moguće da je to bila neka od jednostavnijih struktura koje bi bile dostupnije putem prebiotičke sinteze. TNK i glikolna nukleinska kiselina (GNK) su primarni kandidati. Drugi razlog za izučavanje ksenonukleinskih kiselina je njihova primena u obliku antisense agenasa koji se vezuju i inhibiraju funkcije bioloških ribonukleinskih kiselina. Svih šest Pinheirovih ksenonukleinskih kiselina se vezuju za komplementarne RNK i DNK, i otporne su na degradaciju biološkim nukleazama. Konstrukcija genetičkog sistema baziranog na alternativnim hemijskim platformama mogla bi konačno da dovede do sinteze novih formi života.

Sadašnji stepen razvoja omogućava replikaciju KNK reverznim transkribovanjem do DNK, njenim umnožavanjem putem PCR, i zatim transkribovanjem DNK nazad u KNK. U svakom stepenu se koriste polimeraze. Konverzija u DNK je neophodna za amplifikaciju. Ključni korak u XNK istraživanjima je bio razvoj varijanti polimeraza koji imaju sposobnost kopiranja informacije između XNK i DNK. XNK polimeri sa više od 70 podjedinica i skoro svaka sekvenca se može kopirati, sa prosečnom tačnošću od 95% (za LNK) do 99,6% (za CeNK). Taj profil je dovoljan za sprovođenje usmerene evolucije funkcionalnih KNK molekula. Primenom tog procesa na HNK polimere je pokazano je da oni mogu da evoluiraju u laboratoriji tako da se dobijaju funkcionalni molekuli (aptameri) koji se čvrsto i specifično vezuju za željeni RNK ili proteinski molekul. Razvoj polimeraza koje mogu da kopiraju KNK na njen sopstveni komplement, ili da kopiraju informacije između dve različite KNK, je u toku. Do sada, FANK i CeNK su bile kopirane na njihove komplemente, i CeNK je bila kopirana na HNK, ali su ti procesi znatno manje efikasni nego kopiranje između KNK i DNK.

Još jedan važan razlog za nastavljanje razvoja funkcionalnih KNK je dobijanje jedinjenja za potencijalnu primenu u nauci o materijalima, molekularnoj dijagnostici, i lekovima. Aptameri nukleinskih kiselina su već našli široku primenu u tim oblastima. Međutim, RNK i DNK su podložni dejstvu bioloških nukleaza, te se oni moraju modifikovati da bi se održali u prirodnim uslovima. KNK molekuli su veštački te nisu podložni dejstvu nukleaza. Korist od njihovih neobičnih hemijskih osobina se mora odmeravati sa njihovom većom cenom, neposredno, i u kontekstu rada u neistraženom domenu KNK biohemije.

Populaciona genetika

DNK tokom vremena sakupi mutacije koje se prenose sa kolena na koleno, te stoga DNK sadrži istorijske informacije. Poređenjem DNK sekvenci se može pratiti evoluciona istorija organizama, njihova filogenija. Ovo područje filogenetike je bogat izvor informacija o evolucionoj biologiji. Populaciono genetički uvid u istoriju pojedinih populacija se može dobiti putem poređenja DNK sekvenci unutar vrsta. Taj pristup nalazi primenu u širokom spektru studija od ekološke genetike do antropologije. Populaciona genetika je studija distribucije frekvencije alela i promena pod uticajem četiri glavna evoluciona procesa: prirodna selekcija, genetički drift, mutacija i protok gena. Ona isto tako uzima u obzir faktore rekombinacije, populacione potpodele i populacione strukture. Populaciona genetika pokušava da objasni fenomene poput adaptacije i specijacije.

Genetička genealogija

Genetička genealogija je primena genetike u tradicionalnoj genealogiji. Genetička genealogija obuhvata upotrebu genealoškog DNK testiranja radi određivanja nivoa genetičkih odnosa između pojedinaca. Dva najčešće korišćena tipa genetičkih genealoških testova su Y-DNK (očinska linija) i mtDNK (materinska linija).

Ovi testovi se sastoje od poređenja pojedinih DNK sekvenci para osoba da bi se procenila verovatnoća da oni imaju zajedničkog prethodnika u genealoškom vremenskom okviru. Primenom Bajesovog modela koji je objavio Brus Volš, za procenu broja generacija koje razdvajaju dve osobe od njihovog najskorijeg zajedničkog pretka.

Y-DNK testiranje obuhvata kratka tandemna ponavljanja (STR), a ponekad i testiranje jednonuklearnih polimorfizama (SNP) Y-hromozoma. Ovaj hromozom je prisutan samo kod muškaraca, te daje informacije samo o očinskoj liniji. Ovi testovi mogu da pruže uvid u nedavno (STR) i drevno (SNP) genetičko poreklo. Y-hromozomni STR test sadrži haplotip koji je sličan kod svih muških potomaka zajedničkog muškog pretka. SNP testovi se koriste za svrstavanje ljudi u očinske haplogrupe, koje definišu znatno veću genetičku populaciju.

mtDNK testiranje obuhvata sekvenciranje HVR-1 regiona, HVR-2 regiona ili oba. mtDNK test može takođe da sadrži dodatne SNP-ove koji su potrebni za svrstavanje ljudi u materinske haplogrupe, ili čak kompletnu mtDNK.

Rezultati Y-DNK ili mtDNK testova se mogu porediti sa rezultatima drugih osoba upotrebom privatnih ili javnih DNK baza podataka.

Istorija DNK istraživanja

DNK je prvi izolovao švajcarski lekar Fridrih Mišer, koji je 1869. otkrio mikroskopsku supstancu u gnoju odbačenih zavoja. Ona se nalazila u nukleusima ćelija, te ju je on nazvao „nuklein”. Albreht Kosel je 1878. izolovao neproteinsku komponentu „nukleina”, nukleinsku kiselinu. On je kasnije izolovao i pet primarnih nukleobaza. Fibus Lavin je 1919. identifikovao bazu, šećer i fosfat nukleotidne jedinice. Lavin je došao do zaključka da se DNK sastoji od niza nukleotidnih jedinica povezanih fosfatnim grupama. Međutim, on je smatrao da je lanac kratak i da se baze ponavljaju u fiksnom poretku. Vilijam Astburi je 1937. proizveo prve Rendgenske difrakcione obrasce koji su pokazali da DNK ima uređenu strukturu.

Rozalind Franklin je koristila Rendgensku kristalografiju da omogući vizuelizaciju DNK strukture.

Nikolaj Koltsov je 1927. predložio da se nasledne osobine mogu prenositi putem „gigantskog molekula za nasleđivanje” koji bi se sastojao od „dva komplementarna lanca koji be se kopirali koristeći jedan lanac kao templet”. Frederik Grifit je 1928. otkrio da se svojstvo „glatkog” oblika Pneumococcus bakterije može preneti na bakterije „neravnog” oblika iste vrste putem mešanja mrtvih glatkih bakterija sa živim grubim bakterijama. Taj sistem je pružio prvu jasnu indikaciju da DNK nosi genetičke informacije. Osvald Ejveri zajedno sa saradnicima Kolinom Maklaudom i Maklinom Makartijem su identifikovali DNK kao nosioca transformirajućeg principa 1943. Uloga DNK molekula u nasleđivanju je potvrđena 1952, kad su Alfred Herši i Marta Čejs pokazali da je DNK genetički materijal T2 faga.

Tokom 1950-ih tri grupe su radile na određivanju strukture DNK. Sa radom je prvo započela grupa sa Kings koledža u Londonu koju je predvodio Moris Vilkins i kojoj se kasnije pridružila Rozalind Franklin. Druga grupa se sastojala of Fransisa Krika i Džejmsa Votsona u Kembridžu. Treća grupa je radila na Kaltehu i bila je predvođena Linusom Paulingom. Krik i Votson su izradili fizičke modele koristeći metalne poluge i kugle, u kojima se inkorporisali poznate hemijske strukture nukleotida, kao i poznate pozicije veza koje spajaju nukleotide duž polimera. Na Kings koledžu Moris Vilkins i Rosalind Franklin su izučavali rendgenske difrakcione obrasce DNK niti. Od tri grupe, jedino je londonska grupa bila u mogućnosti da proizvede difrakcione obrasce zadovoljavajućeg kvaliteta i da tako generiše dovoljnu količinu kvantitativnih podataka o strukturi.

Džejms D. Votson i Fransis Krik su 1953. predložili prvi korektan model dvostrukog heliksa DNK strukture. Njihov model je bio baziran na samo jednom rendgenskom difrakcionom snimku (obeleženom kao „Fotografija 51”) koji su snimili Rosalind Franklin i Rejmond Gosling maja 1952, kao i informaciji da su DNK baze sparene, što je proisteklo iz privatne komunikacije sa Ervinom Čargafom tokom prethodnih godina. Čargafova pravila su imala veoma važnu ulogu u određivanju konfiguracije dvostrukog heliksa za B-DNK kao i za A-DNK.

Eksperimentalni dokazi koji podržavaju model Votsona i Krika su objavljeni u seriji od pet članaka u istom izdanju časopisa Priroda. Među njima Franklinov i Goslingov članak su bili prva publikacija njihovih Rendgenskih difrakcionih podataka i originalni metod analize koji je delom podržavao model Votson i Krika. To izdanje je takođe sadržalo članak o DNK strukturi Morisa Vilkinsa i dvoje njegovih saradnika, čija analiza in vivo B-DNK Rendgenskih obrazaca je takođe podržavala prisustvo in vivo dvostrukog heliksa u DNK konfiguracije, kao što su predložili Krik i Votson. Franklin je preminula 1958. Votson, Krik i Vilkins su dobili Nobelovu nagradu za fiziologiju ili medicinu 1962.

U jednoj uticajnoj prezentaciji iz 1957, Krik je izložio centralnu dogmu molekularne biologije, koja je predskazala odnos između DNK, RNK i proteina, i artikulisala hipotezu adaptera. Finalna potvrda replikacionog mehanizma koji je proizašao iz strukture dvostrukog heliksa je usledila 1958. u obliku Meselson-Stahlovog eksperimenta. Daljim radom Krika i njegovih saradnika je pokazano da je genetički kod baziran na nepreklapajućim tripletima baza, koji se nazivaju kodoni. Genetički kod su dešifrovali Har Gobind Korana, Robert Holi i Maršal Varen Nirenberg. Ovi nalazi označavaju rođenje polja molekularne biologije.

Vizualizacija DNK u ćelijama miša

Vidi još

• Kristalografija
• DNK greška
• DNK mikročip
• DNK sekvenciranje
• Genetički poremećaj
• Transkripcioni faktor
• Replikacija DNK
• Prokariotska replikacija DNK

Literatura

• Berg, J.; Tymoczko, J.; Stryer, L. (2002). Biochemistry. W. H. Freeman and Company. ISBN 978-0-7167-4955-4. 
• Gusfield, Dan (1997). Algorithms on Strings, Trees, and Sequences: Computer Science and Computational Biology. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-58519-4. 
• James, William; Berger, Timothy; Elston, Dirk (2005). Andrews' Diseases of the Skin: Clinical Dermatology (10th izd.). Saunders. ISBN 978-0-7216-2921-6. 
• Mount, D. M. (2004). Bioinformatics: Sequence and Genome Analysis (2 izd.). Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN 978-0-87969-712-9. OCLC 55106399. 
• Lindsey, K.; Jones, M. G. K. (1989). Plant biotechnology in agriculture. ISBN 978-0-335-15818-8. Arhivirano iz originala 10. 11. 2013. g. Pristupljeno 01. 05. 2012. 
• Chernavskii, A. V. (2001). „Linking coefficient”. Ur.: Hazewinkel, Michiel. Encyclopaedia of Mathematics. Springer. ISBN 978-1-55608-010-4. 
• Pingoud A, Alves J, Geiger R (1993). „Chapter 8: Restriction Enzymes”. Ur.: Burrell M. Enzymes of Molecular Biology. Methods of Molecular Biology. 16. Totowa, NJ: Humana Press. str. 107—200. ISBN 978-0-89603-234-7. 
• Joan, Slonczewski; Foster, John Watkins (2010). Microbiology: An Evolving Science (Second izd.). New York: W. W. Norton & Company. ISBN 978-0-393-93447-2. 
• Pollard T.D. (2007). Cell Biology. Philadelphia: Saunders. str. 200—203. ISBN 978-1-4160-2255-8. 
• Crick, Francis (1988). „Chapter 8: The genetic code”. What mad pursuit: a personal view of scientific discovery. New York: Basic Books. str. 89—101. ISBN 978-0-465-09138-6. 
• Richard, Deonier; Tavaré, Simon; Waterman, Michael (2005). Computational Genome Analysis: an introduction. Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-98785-9. 
• Sober, Elliott (2001). „The Two Faces of Fitness”. Ur.: R. Singh; D. Paul; C. Krimbas; J. Beatty. Thinking about Evolution: Historical, Philosophical, and Political Perspectives (PDF). Cambridge University Press. str. 309—321. Arhivirano iz originala (PDF) 18. 07. 2011. g. Pristupljeno 22. 04. 2012. 
• Carroll SB, Grenier J, Weatherbee SD (2005). From DNA to Diversity: Molecular Genetics and the Evolution of Animal Design (Second izd.). Oxford: Blackwell Publishing. ISBN 978-1-4051-1950-4. 
• Dumanović, J, marinković, D, Denić, M: Genetički rečnik, Beograd, 1985.
• Kosanović, M, Diklić, V: Odabrana poglavlja iz humane genetike, Beograd, 1986.
• Lazarević, M: Ogledi iz medicinske genetike, Beograd, 1986.
• Marinković, D, Tucić, N, Kekić, V: Genetika, Naučna knjiga, Beograd
• Matić, Gordana: Osnovi molekularne biologije, Zavet, Beograd, 1997.
• Ridli, M: Genom — autobiografija vrste u 23 poglavlja, Plato, Beograd, 2001.
• Tatić, S, Kostić, G, Tatić, B: Humani genom, ZUNS, Beograd, 2002.
• Tucić, N, Matić, Gordana: O genima i ljudima, Centar za primenjenu psihologiju, Beograd, 2002.
• Šerban, Nada: ćelija — strukture i oblici, ZUNS, Beograd, 2001
• Berry, Andrew; Watson, James D (2003). DNA: the secret of life. New York: Alfred A. Knopf. ISBN 978-0-375-41546-3. 
• Calladine, Chris R.; Drew, Horace R.; Luisi, Ben F.; Travers, Andrew A. (2003). Understanding DNA: the molecule & how it works. Amsterdam: Elsevier Academic Press. ISBN 978-0-12-155089-9. 
• Dennis, Carina; Clayton, Julie (2003). 50 years of DNA. Basingstoke: Palgrave Macmillan. ISBN 978-1-4039-1479-8. 
• Judson, Horace Freeland (1979). The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology. Touchstone Books. ISBN 978-0-671-22540-7. . : Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1996 paperback. (2nd izd.). ISBN 978-0-87969-478-4. .
• Micklas, David (2003). DNA Science: A First Course. Cold Spring Harbor Press. ISBN 978-0-87969-636-8. .
• Olby, Robert C. (1994). The path to the double helix: the discovery of DNA. New York: Dover Publications. ISBN 978-0-486-68117-7. , first published in October 1974 by MacMillan, with foreword by Francis Crick;the definitive DNA textbook, revised in 1994 with a 9 page postscript
• Olby, Robert C. (2009). Francis Crick: A Biography. Plainview, N.Y: Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN 978-0-87969-798-3. 
• Ridley, Matt (2006). Francis Crick: discoverer of the genetic code. Ashland, OH: Eminent Lives, Atlas Books. ISBN 978-0-06-082333-7. 
• Rosenfeld, Israel (2010). DNA: A Graphic Guide to the Molecule that Shook the World. Columbia University Press. ISBN 978-0-231-14271-7. .
• Schultz, Mark; Cannon, Zander (2009). The Stuff of Life: A Graphic Guide to Genetics and DNA. Hill and Wang. ISBN 978-0-8090-8947-5. 
• Russell, Peter (2001). iGenetics. New York: Benjamin Cummings. ISBN 978-0-8053-4553-7. 
• Siegmund, Gunther Stent; Watson, James D. (1980). The double helix: a personal account of the discovery of the structure of DNA. New York: Norton. ISBN 978-0-393-95075-5. 
• Watson, James D. (2004). DNA: The Secret of Life. Random House. ISBN 978-0-09-945184-6. .
• Wilkins, Maurice (2003). The third man of the double helix the autobiography of Maurice Wilkins. Cambridge, Eng: University Press. ISBN 978-0-19-860665-9. 
• Brown T.A. (2006). Genomes (3rd izd.). Garland Science. ISBN 978-0-8153-4138-3. 
• Wolfram, Saenger (1984). Principles of Nucleic Acid Structure. New York: Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-90762-8. 
• Butler John M. (2001). Forensic DNA Typing. Elsevier. str. 14—15. ISBN 978-0-12-147951-0. OCLC 223032110 45406517. 
• Farkas, Daniel (1996). DNA simplified: the hitchhiker's guide to DNA. Washington, D.C: AACC Press. ISBN 978-0-915274-84-0. 
• Lodish, Harvey; Berk, Arnold; Kaiser, Chris A.; Krieger, Monty; Scott, Matthew P.; Bretscher, Anthony; Ploegh, Hiddle; Matsudaira, Paul (2008). Molecular Cell Biology (6th izd.). New York: W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-7601-7. 
• Passarge, Eberhard (2006). Color atlas of genetics (3 Rev Upd izd.). Thieme. ISBN 978-1-58890-336-5. 
• Silver, Lee M. (1995). „Karyotypes, Chromosomes, and Translocations”. Mouse Genetics: Concepts and Applications. Oxford: Oxford University Press. str. 83—92. ISBN 978-0-19-507554-0. 
• Youngson, Robert M. (2006). Collins Dictionary of Human Biology. Glasgow: HarperCollins. ISBN 978-0-00-722134-9. 
• Neidle; Balasubramanian, ur. (2006). Quadruplex Nucleic Acids. ISBN 978-0-85404-374-3. Arhivirano iz originala 30. 9. 2007. g. Pristupljeno 19. 4. 2012. 
• Craig, JM (2011). Wong, NC, ur. Epigenetics: A Reference Manual. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-88-2. 
• Abbas Hamed K. (2005). Aflatoxin and Food Safety. CRC Press. ISBN 978-0-8247-2303-3. 
• Hudler, George (1998). Magical Mushrooms, Mischievous Molds. Princeton, NJ: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07016-2. 
• Lewin, Benjamin (1997). Genes (6th izd.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-857779-9. 
• Jeffrey, A. (1985). „DNA modification by chemical carcinogens”. Pharmacol Ther. 28 (2): 237—72. PMID 3936066. doi:10.1016/0163-7258(85)90013-0. 

Spoljašnje veze

• Nauka 50: DNK (RTS Obrazovno-naučni program - Zvanični kanal)
• Bionet škola
• DNK na sajtu Curlie
• Predviđanje DNK mesta vezivanja na proteinu
• DNK namotavanje da bi se formirali hromozomi
• Igra DNK dvostrukog heliksa