ДНК

ДНК

ДНК, аббревиатура от дезоксирибонуклеиновой кислоты, органическое химическое вещество сложной молекулярной структуры, которое содержится во всех прокариотических и эукариотических клетках и во многих вирусах. ДНК кодирует генетическую информацию для передачи наследственных признаков.

Химическое вещество ДНК было впервые открыто в 1869 году, но его роль в генетическом наследовании была доказана только в 1943 году. В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, благодаря работе биофизиков Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса, определили, что структура ДНК представляет собой двухспиральный полимер — спираль, состоящую из двух нитей ДНК, намотанных друг на друга. Это открытие привело к значительному прогрессу в понимании учеными репликации ДНК и наследственного контроля клеточной деятельности.

Каждая нить молекулы ДНК состоит из длинной цепи мономерных нуклеотидов. Нуклеотиды ДНК состоят из молекулы сахара дезоксирибозы, к которой присоединена фосфатная группа и одно из четырех азотистых оснований: два пурина (аденин и гуанин) и два пиримидина (цитозин и тимин). Нуклеотиды соединены между собой ковалентными связями между фосфатом одного нуклеотида и сахаром другого, образуя фосфатно-сахарную основу, из которой выступают азотистые основания. Одна нить соединена с другой водородными связями между основаниями; последовательность этих связей специфична — например, аденин соединяется только с тимином, а цитозин — только с гуанином.

Конфигурация молекулы ДНК очень стабильна, что позволяет ей служить шаблоном для репликации новых молекул ДНК, а также для производства (транскрипции) родственной молекулы РНК (рибонуклеиновой кислоты). Участок ДНК, который кодирует синтез клеткой определенного белка, называется геном.

ДНК реплицируется, разделяясь на две отдельные нити, каждая из которых служит шаблоном для новой нити. Копирование новых нитей происходит по тому же принципу образования водородных связей между основаниями, что и в двойной спирали. Образуются две новые двухцепочечные молекулы ДНК, каждая из которых содержит одну из исходных нитей и одну новую нить. Эта «полуконсервативная» репликация является ключом к стабильному наследованию генетических признаков.

Внутри клетки ДНК организована в плотные комплексы белок-ДНК, называемые хромосомами. У эукариот хромосомы расположены в ядре, хотя ДНК также содержится в митохондриях и хлоропластах. У прокариот, которые не имеют мембранно-связанного ядра, ДНК находится в виде одной кольцевой хромосомы в цитоплазме. Некоторые прокариоты, например, бактерии, и некоторые эукариоты имеют внехромосомную ДНК, известную как плазмиды, которые представляют собой автономный, самовоспроизводящийся генетический материал. Плазмиды широко используются в технологии рекомбинантной ДНК для изучения экспрессии генов.

Генетический материал вирусов может представлять собой одно- или двухцепочечную ДНК или РНК. Ретровирусы переносят свой генетический материал в виде одноцепочечной РНК и вырабатывают фермент обратную транскриптазу, которая может генерировать ДНК из нити РНК. В богатых гуанином областях человеческого генома наблюдались комплексы четырехцепочечной ДНК, известные как G-квадруплексы.

Синтез ДНК

Поддержание генетической целостности требует не только наличия ферментов для синтеза ДНК, но и того, чтобы они функционировали таким образом, чтобы обеспечить репликацию генетической информации (закодированной в копируемой ДНК) с абсолютной точностью. Это означает, что сборка новых участков молекулы ДНК должна происходить на шаблоне ДНК, уже присутствующем в клетке. Синтетические процессы также должны быть способны восстанавливать ограниченные участки ДНК, которые могли быть повреждены, например, в результате воздействия ультрафиолетового облучения.

Физическая структура ДНК идеально приспособлена к ее биологическим функциям. Две нити нуклеотидов наматываются друг на друга в форме двойной спирали. Спираль стабилизирована водородными связями, которые возникают между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями нитей. Так, аденин одной нити соединяется с тимином другой, а гуанин одной нити — с цитозином другой. Пары оснований можно представить как ступени винтовой лестницы, стороны которой образуют две цепи повторяющихся единиц (т.е. рибоза-фосфат-рибоза).

В процессе биосинтеза ДНК две нити разматываются, и каждая служит шаблоном для синтеза новой, комплементарной нити, в которой основания образуют пары точно таким же образом, как и в родительской двойной спирали. Этот процесс катализируется ферментом ДНК-полимеразой, который катализирует присоединение соответствующего дезоксирибонуклеозидтрифосфата (NTP) к одному концу, а именно к свободному 3′-гидроксильному концу (-OH) растущей цепи ДНК. Конкретный нуклеотид, вставляемый в растущую цепь, диктуется основанием в комплементарной (шаблонной) нити ДНК, с которой он спаривается. Таким образом, для функционирования ДΝΑ-полимеразы необходимо наличие всех четырех дезоксирибонуклеозидтрифосфатов (т.е. dATP, dTPP, dGTP и dCTP), а также предварительно сформированной ДНК в качестве шаблона. Хотя ряд ферментов ДНК-полимеразы был очищен из различных организмов, пока неясно, участвуют ли те из них, которые были наиболее подробно изучены, в образовании новых молекул ДНК, или же они в основном занимаются восстановлением поврежденных участков молекул. Полинуклеотидная лигаза, которая влияет на образование фосфатной связи между соседними молекулами сахара, связана с функцией восстановления, но может также играть роль в синтезе.

Транскрипция как часть синтеза

Транскрипция — синтез РНК из ДНК. Генетическая информация переходит из ДНК в белок — вещество, придающее организму его форму. Этот поток информации происходит через последовательные процессы транскрипции (ДНК в РНК) и трансляции (РНК в белок). Транскрипция происходит, когда возникает потребность в определенном генном продукте в определенное время или в определенной ткани.

Во время транскрипции обычно копируется только одна нить ДНК. Она называется шаблоном, а образующиеся молекулы РНК — одноцепочечными мессенджерными РНК (мРНК). Нить ДНК, которая будет соответствовать мРНК, называется кодирующей или смысловой нитью. У эукариот (организмов, обладающих ядром) начальный продукт транскрипции называется пре-мРНК. Пре-мРНК подвергается обширному редактированию путем сплайсинга, прежде чем образуется зрелая мРНК, готовая к трансляции рибосомой — клеточной органеллой, которая служит местом синтеза белка. Транскрипция любого гена происходит в хромосомном месте расположения этого гена, которое представляет собой относительно короткий участок хромосомы. Активная транскрипция гена зависит от необходимости активности данного гена в конкретной клетке или ткани или в данный момент времени.

Небольшие сегменты ДНК транскрибируются в РНК ферментом РНК-полимеразой, которая осуществляет это копирование в строго контролируемом процессе. Первым шагом является распознавание специфической последовательности на ДНК, называемой промотором, которая обозначает начало гена. В этот момент две нити ДНК разделяются, и РНК-полимераза начинает копирование с определенной точки на одной нити ДНК, используя специальный тип сахаросодержащего нуклеозида под названием рибонуклеозид-5'-трифосфат для начала растущей цепи. В качестве субстрата используются дополнительные рибонуклеозидтрифосфаты, и путем расщепления их высокоэнергетической фосфатной связи рибонуклеозидмонофосфаты включаются в растущую цепь РНК.

Каждый последующий рибонуклеотид направляется в соответствии с правилами комплементарной пары оснований ДНК. Например, С (цитозин) в ДНК направляет включение G (гуанина) в РНК. Аналогично, G в ДНК копируется в C в РНК, T (тимин) в A (аденин), а A в U (урацил; РНК содержит U вместо T в ДНК). Синтез продолжается до достижения сигнала прекращения, в этот момент РНК-полимераза отсоединяется от ДНК, и молекула РНК высвобождается.

Впереди многих генов у прокариот (организмов, не имеющих ядра) находятся сигналы, называемые «операторами», где специализированные белки, называемые репрессорами, связываются с ДНК непосредственно перед точкой начала транскрипции и предотвращают доступ РНК-полимеразы к ДНК. Таким образом, эти репрессорные белки предотвращают транскрипцию гена, физически блокируя действие РНК-полимеразы. Обычно репрессоры освобождаются от своего блокирующего действия, когда получают сигналы от других молекул в клетке, указывающие на необходимость экспрессии гена. Впереди некоторых прокариотических генов находятся сигналы, с которыми связываются белки-активаторы для стимуляции транскрипции.

Транскрипция у эукариот происходит сложнее, чем у прокариот. Во-первых, РНК-полимераза высших организмов является более сложным ферментом, чем относительно простой пятисубъединичный фермент прокариот. Кроме того, существует гораздо больше вспомогательных факторов, которые помогают контролировать эффективность отдельных промоторов. Эти вспомогательные белки называются транскрипционными факторами и обычно отвечают на сигналы из клетки, которые указывают на необходимость транскрипции. Для многих генов человека может потребоваться несколько факторов транскрипции, прежде чем транскрипция будет проходить эффективно. У эукариот фактор транскрипции может вызывать либо репрессию, либо активацию экспрессии генов.

РНК

РНК, сокращение от рибонуклеиновой кислоты, сложное соединение с высокой молекулярной массой, которое участвует в синтезе клеточного белка и заменяет ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту) в качестве носителя генетического кода в некоторых вирусах. РНК состоит из рибозных нуклеотидов (азотистых оснований, присоединенных к сахару рибозы), соединенных фосфодиэфирными связями и образующих нити различной длины. Азотистыми основаниями в РНК являются аденин, гуанин, цитозин и урацил, который заменяет тимин в ДНК.

Сахар рибоза в РНК представляет собой циклическую структуру, состоящую из пяти углеродов и одного кислорода. Наличие химически реактивной гидроксильной (-OH) группы, присоединенной ко второй группе углерода в молекуле рибозного сахара, делает РНК склонной к гидролизу. Эта химическая лабильность РНК по сравнению с ДНК, у которой нет реактивной группы -OH в том же положении в молекуле сахара (дезоксирибоза), считается одной из причин, по которой ДНК стала предпочтительным носителем генетической информации в большинстве организмов. Структура молекулы РНК была описана Р. В. Холли в 1965 году.

Структура РНК

РНК обычно представляет собой одноцепочечный биополимер. Однако наличие самокомплементарных последовательностей в нити РНК приводит к внутрицепочечному сопряжению оснований и сворачиванию рибонуклеотидной цепи в сложные структурные формы, состоящие из выпуклостей и спиралей. Трехмерная структура РНК имеет решающее значение для ее стабильности и функционирования, позволяя сахару рибозы и азотистым основаниям быть модифицированными множеством различных способов клеточными ферментами, которые присоединяют к цепи химические группы (например, метильные группы). Такие модификации позволяют образовывать химические связи между удаленными участками в нити РНК, что приводит к сложным искривлениям в цепи РНК, которые еще больше стабилизируют структуру РНК. Молекулы со слабыми структурными модификациями и стабилизацией могут быть легко разрушены. Например, в молекуле инициаторной трансферной РНК (тРНК), в которой отсутствует метильная группа (тРНКiMet), модификация в положении 58 цепи тРНК делает молекулу нестабильной и, следовательно, нефункциональной; нефункциональная цепь разрушается клеточными механизмами контроля качества тРНК.

РНК также могут образовывать комплексы с молекулами, известными как рибонуклеопротеины (РНП). Было показано, что часть РНК по крайней мере одного клеточного РНП действует как биологический катализатор — функция, которая ранее приписывалась только белкам.

Типы и функции РНК

Из множества типов РНК наиболее известными и часто изучаемыми являются три: мессенджерная РНК (мРНК), трансферная РНК (тРНК) и рибосомальная РНК (рРНК), которые присутствуют во всех организмах. Эти и другие типы РНК в основном осуществляют биохимические реакции, подобно ферментам. Однако некоторые из них также выполняют сложные регуляторные функции в клетках. Благодаря своему участию во многих регуляторных процессах, обилию и разнообразию функций, РНК играют важную роль как в нормальных клеточных процессах, так и в заболеваниях.

При синтезе белка мРНК переносит генетический код от ДНК в ядре к рибосомам — местам трансляции белка в цитоплазме. Рибосомы состоят из рРНК и белка. Белковые субъединицы рибосом кодируются рРНК и синтезируются в нуклеолусе. После полной сборки они перемещаются в цитоплазму, где, являясь ключевыми регуляторами трансляции, «считывают» код, передаваемый мРНК. Последовательность из трех азотистых оснований в мРНК определяет включение конкретной аминокислоты в последовательность, составляющую белок. Молекулы тРНК (иногда также называемые растворимой, или активаторной, РНК), содержащие менее 100 нуклеотидов, доставляют указанные аминокислоты к рибосомам, где они соединяются, образуя белки.

Помимо мРНК, тРНК и рРНК, РНК можно разделить на кодирующие (кРНК) и некодирующие РНК (нкРНК). Существует два типа нкРНК: хозяйственные нкРНК (тРНК и рРНК) и регуляторные нкРНК, которые далее классифицируются в зависимости от их размера. Длинные нкРНК (lncRNA) имеют не менее 200 нуклеотидов, а малые нкРНК — менее 200 нуклеотидов. Малые нкРНК подразделяются на микро-РНК (miRNA), малые нуклеолярные РНК (snoRNA), малые ядерные РНК (snRNA), малые интерферирующие РНК (siRNA) и PIWI-взаимодействующие РНК (piRNA).

Особое значение имеют miРНК. Они имеют длину около 22 нуклеотидов и участвуют в регуляции генов у большинства эукариот. Они могут ингибировать (заглушать) экспрессию генов, связываясь с целевой мРНК и подавляя трансляцию, тем самым предотвращая производство функциональных белков. Многие miРНК играют важную роль в развитии рака и других заболеваний. Например, опухолевые супрессорные и онкогенные (инициирующие рак) miРНК могут регулировать уникальные гены-мишени, что приводит к опухолевому генезу и прогрессированию опухоли.

Также функциональное значение имеют piРНК, длина которых составляет от 26 до 31 нуклеотида и которые существуют у большинства животных. Они регулируют экспрессию транспозонов (прыгающих генов), не давая генам транскрибироваться в половых клетках (сперматозоидах и яйцеклетках).

Большинство piRNA комплементарны различным транспозонам и могут специфически нацеливаться на эти транспозоны.

Циркулярная РНК (цирРНК) отличается от других типов РНК тем, что ее 5′- и 3′-концы соединены вместе, образуя петлю. ЦиркРНК образуются из многих белок-кодирующих генов, и некоторые из них могут служить шаблонами для синтеза белка, подобно мРНК. Они также могут связывать miРНК, действуя как «губки», которые не дают молекулам miРНК связываться со своими мишенями. Кроме того, циркРНК играют важную роль в регуляции транскрипции и альтернативного сплайсинга генов, из которых были получены циркРНК.

РНК в болезнях

Были обнаружены важные связи между РНК и заболеваниями человека. Например, как было описано ранее, некоторые миРНК способны регулировать гены, связанные с раком, таким образом, что это способствует развитию опухоли.

Кроме того, дисрегуляция метаболизма миРНК связана с различными нейродегенеративными заболеваниями, включая болезнь Альцгеймера. В случае других типов РНК, тРНК могут связываться со специализированными белками, известными как каспазы, которые участвуют в апоптозе (запрограммированной клеточной смерти). Связываясь с белками каспаз,

тРНК препятствуют апоптозу; способность клеток избегать запрограммированной смерти является отличительной чертой рака. Предполагается, что некодирующие РНК, известные как тРНК-производные фрагменты (тРФ), также играют роль в развитии рака. Появление таких методов, как секвенирование РНК, привело к выявлению новых классов специфических для опухоли РНК-транскриптов, таких как MALAT1 (метастаз-ассоциированный транскрипт 1 аденокарциномы легких), повышенные уровни которого были обнаружены в различных раковых тканях и связаны с пролиферацией и метастазированием (распространением) опухолевых клеток.

Известно, что класс РНК, содержащих повторяющиеся последовательности, связывают РНК-связывающие белки (RBPs), что приводит к образованию очагов или агрегатов в нервных тканях. Эти агрегаты играют роль в развитии неврологических заболеваний, таких как боковой амиотрофический склероз (ALS) и миотоническая дистрофия. Потеря функции, дисрегуляция и мутация различных RBP были связаны с целым рядом заболеваний человека.

Ожидается открытие дополнительных связей между РНК и заболеваниями. Более глубокое понимание РНК и ее функций в сочетании с продолжающимся развитием технологий секвенирования и усилиями по скринингу РНК и RBPs в качестве терапевтических мишеней, вероятно, будут способствовать таким открытиям.