DNA

Struktura části dvojité šroubovice DNA

Deoxyribonukleová kyselina (DNA) je nukleová kyselina, která obsahuje genetické instrukce používané při vývoji a fungování všech známých živých organismů a některých virů. Hlavní úlohou molekul DNA je dlouhodobé uchovávání informací. DNA je často srovnávána se souborem plánů nebo recepturou nebo kódem, protože obsahuje instrukce potřebné pro konstrukci dalších složek buněk, jako jsou proteiny a molekuly RNA. Segmenty DNA, které nesou tuto genetickou informaci, se nazývají geny, ale jiné sekvence DNA mají strukturální účely nebo se podílejí na regulaci využití této genetické informace.

Chemicky se DNA skládá ze dvou dlouhých polymerů jednoduchých jednotek zvaných nukleotidy, s páteří tvořenou cukry a fosfátovými skupinami spojenými esterovými vazbami. Tyto dva řetězce běží proti sobě v opačných směrech. Ke každému cukru je připojen jeden ze čtyř typů molekul zvaných báze. Je to posloupnost těchto čtyř bází podél páteře, která kóduje informace. Tyto informace se čtou pomocí genetického kódu, který určuje posloupnost aminokyselin v proteinech. Kód se čte zkopírováním úseků DNA do příbuzné RNA nukleové kyseliny, v procesu zvaném transkripce.

Uvnitř buněk je DNA uspořádána do struktur zvaných chromozomy. Tyto chromozomy jsou duplikovány před dělením buněk, v procesu zvaném replikace DNA. Eukaryotické organismy (zvířata, rostliny, houby a protisty) ukládají svou DNA uvnitř buněčného jádra, zatímco v prokaryotech (bakteriích a archeích) se nachází v cytoplazmě buňky. Uvnitř chromozomů chromatinové proteiny, jako jsou histony, komprimují a organizují DNA. Tyto kompaktní struktury řídí interakce mezi DNA a jinými proteiny, pomáhají kontrolovat, které části DNA jsou přepsány.

Chemická struktura DNA. Vazby vodíku jsou zobrazeny jako tečkované čáry.

DNA je dlouhý polymer vyrobený z opakujících se jednotek zvaných nukleotidy. Řetězec DNA je široký 22 až 26 Ångströmů (2,2 až 2,6 nanometrů) a jedna jednotka nukleotidů je dlouhá 3,3 Å (0,33 nm). Ačkoli každá jednotlivá opakující se jednotka je velmi malá, polymery DNA mohou být obrovské molekuly obsahující miliony nukleotidů. Například největší lidský chromozom, chromozom číslo 1, je dlouhý přibližně 220 milionů párů bází.

V živých organismech DNA obvykle neexistuje jako jediná molekula, ale místo toho jako těsně asociovaný pár molekul. Tyto dva dlouhé řetězce se proplétají jako vinná réva ve tvaru dvojité šroubovice. Nukleotidové repety obsahují jak segment páteře molekuly, který drží řetězec pohromadě, tak i bázi, která interaguje s druhým řetězcem DNA ve šroubovici. Obecně se báze vázaná na cukr nazývá nukleosid a báze vázaná na cukr a jednu nebo více fosfátových skupin se nazývá nukleotid. Pokud je několik nukleotidů propojeno dohromady, jako v DNA, nazývá se tento polymer polynukleotid.

Páteř řetězce DNA je tvořena střídajícími se fosfátovými a cukrovými zbytky. Cukr v DNA je 2-deoxyribóza, což je pentózový (pětiuhlíkatý) cukr. Cukry jsou spojeny fosfátovými skupinami, které vytvářejí fosfodiesterové vazby mezi třetím a pátým atomem uhlíku sousedních cukrových kruhů. Tyto asymetrické vazby znamenají, že řetězec DNA má směr. Ve dvojité šroubovici je směr nukleotidů v jednom řetězci opačný než jejich směr v druhém řetězci. Toto uspořádání řetězců DNA se nazývá antiparalelní. Asymetrické konce řetězců DNA se označují jako 5′ (pět prvočísel) a 3′ (tři prvočísla), přičemž 5′ konec je konec s terminální fosfátovou skupinou a 3′ konec s terminální hydroxylovou skupinou. Jedním z hlavních rozdílů mezi DNA a RNA je cukr, přičemž 2-deoxyribóza je v RNA nahrazena alternativní pentózovou cukrovou ribózou.

Dvojšroubovice DNA je stabilizována vodíkovými vazbami mezi bázemi připojenými k oběma vláknům. Čtyři báze nalezené v DNA jsou adenin (zkráceně A), cytosin (C), guanin (G) a thymin (T). Tyto čtyři báze jsou navázány na cukr/fosfát a tvoří kompletní nukleotid, jak je ukázáno u adenosinmonofosfátu.

Tyto báze jsou rozděleny do dvou typů; adenin a guanin jsou sloučené pětičlenné a šestičlenné heterocyklické sloučeniny zvané puriny, zatímco cytosin a thymin jsou šestičlenné kruhy zvané pyrimidiny. Pátá pyrimidinová báze, zvaná uracil (U), obvykle v RNA nahrazuje thymin a liší se od thyminu tím, že na jeho kruhu chybí methylová skupina. Uracil se obvykle v DNA nenachází, vyskytuje se pouze jako produkt rozpadu cytosinu.

Animace struktury úseku DNA. Základy leží vodorovně mezi dvěma spirálovitými vlákny. Velká verze

Dvojitá šroubovice je pravotočivá spirála. Jak se vlákna DNA vinou kolem sebe, zanechávají mezery mezi jednotlivými sadami fosfátových páteří a odhalují strany bází uvnitř (viz animace). Kolem povrchu dvojité šroubovice se kroutí dvě z těchto drážek: jedna drážka, hlavní drážka, je široká 22 Å a druhá, vedlejší drážka, je široká 12 Å. Úzká vedlejší drážka znamená, že okraje bází jsou přístupnější v hlavní drážce. Výsledkem je, že proteiny jako transkripční faktory, které se mohou vázat na specifické sekvence v dvouvláknové DNA, obvykle navazují kontakty se stranami bází vystavených v hlavní drážce.

Každý typ báze na jednom vlákně tvoří vazbu pouze s jedním typem báze na druhém vlákně. Tomu se říká komplementární párování bází. Zde puriny vytvářejí vodíkové vazby na pyrimidiny, přičemž vazba A se váže pouze na T a vazba C se váže pouze na G. Tomuto uspořádání dvou nukleotidů, které se vážou dohromady přes dvojitou šroubovici, se říká párová báze. Protože vodíkové vazby nejsou kovalentní, lze je relativně snadno zlomit a znovu spojit. Oba řetězce DNA ve dvojité šroubovici lze proto roztáhnout jako zip, a to buď mechanickou silou, nebo vysokou teplotou. V důsledku této komplementarity jsou všechny informace ve dvouřetězcové sekvenci šroubovice DNA duplikovány na každém řetězci, což je při replikaci DNA životně důležité. Tato reverzibilní a specifická interakce mezi komplementárními páry bází je totiž kritická pro všechny funkce DNA v živých organismech.

Dva typy párů bází tvoří různý počet vodíkových vazeb, AT tvoří dvě vodíkové vazby a GC tvoří tři vodíkové vazby (viz obrázky, vlevo).
DNA s vysokým obsahem GC je stabilnější než DNA s nízkým obsahem GC, ale na rozdíl od všeobecného přesvědčení to není způsobeno extra vodíkovou vazbou GC základní dvojice, ale spíše přispěním interakcí při skládání (vodíková vazba pouze poskytuje specifičnost párování, nikoliv stabilitu).
Výsledkem je, že jak procento párů bází GC, tak celková délka dvojité šroubovice DNA určují sílu spojení mezi oběma vlákny DNA. Dlouhé šroubovice DNA s vysokým obsahem GC mají silněji interagující vlákna, zatímco krátké šroubovice s vysokým obsahem AT mají slaběji interagující vlákna. V biologii mají části dvojité šroubovice DNA, které se potřebují snadno oddělit, jako je například TATAAT Pribnow box v některých promotorech, obvykle vysoký obsah AT, což usnadňuje odtrhávání vláken. V laboratoři lze sílu této interakce měřit zjištěním teploty potřebné k přetržení vodíkových vazeb, jejich teploty tání (také nazývané hodnota Tm). Když se roztaví všechny páry bází v dvojité šroubovici DNA, vlákna se oddělí a existují v roztoku jako dvě zcela nezávislé molekuly. Tyto jednovláknové molekuly DNA nemají jediný společný tvar, ale některé konformace jsou stabilnější než jiné.

Sekvence DNA se nazývá „smysl“, pokud je její sekvence stejná jako sekvence messengerové RNA, která je přeložena do proteinu. Sekvence na opačném vlákně se nazývá „antisense“ sekvence. Smyslové i antisense sekvence mohou existovat na různých částech stejného řetězce DNA (tj. oba řetězce obsahují smyslové i antisense sekvence). U prokaryot i eukaryot vznikají antisense RNA sekvence, ale funkce těchto RNA nejsou zcela jasné. Jedním z návrhů je, že antisense RNA se podílejí na regulaci genové exprese prostřednictvím párování bází RNA-RNA.

Několik sekvencí DNA u prokaryot a eukaryot a více u plazmidů a virů stírá rozdíl mezi smyslovými a antismyslovými vlákny tím, že mají překrývající se geny. V těchto případech některé sekvence DNA plní dvojí povinnost, kódují jeden protein, když se čte podél jednoho vlákna, a druhý protein, když se čte opačným směrem podél druhého vlákna. U bakterií se tento překryv může podílet na regulaci genové transkripce, zatímco u virů překrývající se geny zvyšují množství informací, které mohou být zakódovány v rámci malého virového genomu.

DNA může být zkroucena jako lano v procesu zvaném DNA supercoiling. S DNA ve svém „uvolněném“ stavu, vlákno obvykle krouží kolem osy dvojité šroubovice jednou za 10,4 páru bází, ale pokud je DNA zkroucena, vlákna se více utáhnou nebo více volně navinou. Pokud je DNA zkroucena ve směru šroubovice, jedná se o pozitivní supercoiling, a báze jsou drženy pevněji pohromadě. Pokud jsou zkrouceny v opačném směru, jedná se o negativní supercoiling, a báze se snadněji rozpadají. V přírodě má většina DNA mírné negativní supercoiling, který je zaváděn enzymy zvanými topoizomerázy. Tyto enzymy jsou také potřebné pro uvolnění zkroucených sil, které jsou zaváděny do řetězců DNA během procesů, jako je transkripce a replikace DNA.

Zleva doprava struktury DNA A, B a Z

DNA existuje v mnoha možných konformacích. V organismech však byly pozorovány pouze A-DNA, B-DNA a Z-DNA. Kterou konformaci DNA přijme, závisí na sekvenci DNA, množství a směru supercoilingu, chemických modifikacích bází a také na podmínkách roztoku, jako je koncentrace iontů kovů a polyaminů. Z těchto tří konformací je výše popsaná „B“ forma nejběžnější za podmínek, které se nacházejí v buňkách. Obě alternativní dvoušroubovité formy DNA se liší svou geometrií a rozměry.

Forma A je širší pravotočivá spirála s mělkou, širokou vedlejší drážkou a užší, hlubší hlavní drážkou. Forma A se vyskytuje za nefyziologických podmínek v dehydratovaných vzorcích DNA, zatímco v buňce může vznikat v hybridních párech řetězců DNA a RNA, stejně jako v komplexech enzymů a DNA. Segmenty DNA, kde byly báze chemicky modifikovány metylací, mohou projít větší změnou konformace a přijmout formu Z. Zde se vlákna otáčejí kolem šikmé osy v levotočivé spirále, opak běžnější formy B. Tyto neobvyklé struktury lze rozpoznat podle specifických vazebných proteinů Z-DNA a mohou se podílet na regulaci transkripce.

Struktura DNA kvadruplexu tvořeného telomerami se opakuje. Konformace DNA páteře se významně odchyluje od typické šroubovité struktury

Na koncích lineárních chromozomů jsou specializované oblasti DNA zvané telomery. Hlavní funkcí těchto oblastí je umožnit buňce replikovat konce chromozomů pomocí enzymu telomerázy, protože enzymy, které normálně replikují DNA, nemohou kopírovat krajní 3′ konce chromozomů. Tyto specializované uzávěry chromozomů také pomáhají chránit konce DNA a brání opravným systémům DNA v buňce, aby je považovaly za poškození, které má být napraveno. V lidských buňkách jsou telomery obvykle délky jednovláknové DNA obsahující několik tisíc opakování jednoduché TTAGGG sekvence.

Tyto sekvence bohaté na guanin mohou stabilizovat konce chromozomů vytvořením struktur skládaných množin jednotek o čtyřech bázích namísto obvyklých párů bází nalezených v jiných molekulách DNA. Zde čtyři báze guaninu tvoří plochou desku a tyto ploché jednotky o čtyřech bázích se pak skládají na sebe, aby vytvořily stabilní strukturu G-kvadruplex. Tyto struktury jsou stabilizovány vodíkovou vazbou mezi okraji bází a chelací kovového iontu ve středu každé jednotky o čtyřech bázích. Mohou být také vytvořeny další struktury, kdy centrální množina čtyř bází vychází buď z jediného vlákna složeného kolem bází, nebo z několika různých paralelních vláken, z nichž každé přispívá k centrální struktuře jednou bází.

Kromě těchto seskupených struktur tvoří telomery také velké smyčkové struktury zvané telomerové smyčky neboli T-smyčky. Zde se jednovláknová DNA kroutí v dlouhém kruhu stabilizovaném proteiny vázajícími telomery. Na samém konci T-smyčky se jednovláknová telomerová DNA drží v oblasti dvouvláknové DNA tím, že telomerové vlákno narušuje dvoušroubovitou DNA a páruje bázi s jedním ze dvou vláken. Tato trojvláknová struktura se nazývá vytěsňovací smyčka neboli D-smyčka.

Exprese genů je ovlivněna tím, jak je DNA zabalena v chromozomech, ve struktuře zvané chromatin. Modifikace báze se mohou podílet na balení, přičemž oblasti, které mají nízkou nebo žádnou genovou expresi, obvykle obsahují vysoké hladiny metylace cytosinových bází. Například metylace cytosinu produkuje 5-methylcytosin, který je důležitý pro inaktivaci chromozomu X. Průměrná úroveň metylace se mezi organismy liší – červ Caenorhabditis elegans postrádá metylaci cytosinu, zatímco obratlovci mají vyšší hladiny, až 1% jejich DNA obsahuje 5-metylcytosin. Navzdory důležitosti 5-metylcytosinu může deaminovat za vzniku thyminové báze, metylované cytosiny jsou proto obzvláště náchylné k mutacím. Další modifikace báze zahrnují metylaci adeninu u bakterií a glykosylaci uracilu za vzniku „J-báze“ v kinetoplastidech.

Benzopyren, hlavní mutagen tabákového kouře, v adductu DNA

DNA může být poškozena mnoha různými druhy mutagenů, které mění sekvenci DNA. Mezi mutageny patří oxidační činidla, alkylační činidla a také vysokoenergetické elektromagnetické záření, jako je ultrafialové světlo a rentgenové paprsky. Typ vzniklého poškození DNA závisí na typu mutagenu. Například UV záření může poškodit DNA tím, že produkuje thyminové dimery, které jsou křížovými vazbami mezi pyrimidinovými bázemi. Na druhé straně oxidanty, jako jsou volné radikály nebo peroxid vodíku, produkují více forem poškození, včetně modifikací bází, zejména guanosinu, a dvouvláknových zlomů. V každé lidské buňce dochází denně k oxidačnímu poškození asi 500 bází. Z těchto oxidativních lézí jsou nejnebezpečnější dvouvláknové zlomy, protože se obtížně opravují a mohou produkovat bodové mutace, inzerce a delece ze sekvence DNA, stejně jako chromozomální translokace.

Mnoho mutagenů se vejde do prostoru mezi dva sousedící páry bází, tomu se říká intercalating. Většina intercalatorů jsou aromatické a planární molekuly a zahrnují Ethidium bromid, daunomycin a doxorubicin. Aby se intercalator vešel mezi páry bází, báze se musí oddělit a deformovat řetězce DNA odvíjením dvojité šroubovice. To inhibuje jak transkripci, tak replikaci DNA, což způsobuje toxicitu a mutace. V důsledku toho jsou interalatory DNA často karcinogeny a známými příklady jsou benzopyren diol epoxid, akridiny, aflatoxin a ethidium bromid. Nicméně díky své schopnosti inhibovat transkripci a replikaci DNA se tyto toxiny používají také v chemoterapii k inhibici rychle rostoucích nádorových buněk.

DNA se obvykle vyskytuje jako lineární chromozomy u eukaryot a kruhové chromozomy u prokaryot. Sada chromozomů v buňce tvoří její genom; lidský genom má přibližně 3 miliardy párů bází DNA uspořádaných do 46 chromozomů. Informace přenášená DNA je držena v sekvenci kousků DNA zvaných geny. Přenos genetické informace v genech je dosažen komplementárním párováním bází. Například při transkripci, když buňka použije informaci v genu, sekvence DNA je zkopírována do komplementární sekvence RNA skrze přitažlivost mezi DNA a správnými nukleotidy RNA. Obvykle je tato kopie RNA pak použita k vytvoření odpovídající sekvence proteinu v procesu zvaném translace, který závisí na stejné interakci mezi nukleotidy RNA. Případně buňka může jednoduše zkopírovat svou genetickou informaci v procesu zvaném replikace DNA. Podrobnosti o těchto funkcích jsou popsány v jiných článcích; zde se zaměřujeme na interakce mezi DNA a jinými molekulami, které zprostředkovávají funkci genomu.

Genomická DNA se nachází v buněčném jádru eukaryot, stejně jako malé množství v mitochondriích a chloroplastech. U prokaryot je DNA držena v nepravidelně tvarovaném těle v cytoplazmě zvané nukleoid. Genetická informace v genomu je držena v genech a kompletní soubor této informace v organismu se nazývá jeho genotyp. Gen je jednotkou dědičnosti a je oblastí DNA, která ovlivňuje určitou charakteristiku v organismu. Geny obsahují otevřený čtecí rámec, který lze přepsat, stejně jako regulační sekvence, jako promotory a zesilovače, které řídí přepis otevřeného čtecího rámce.

U mnoha druhů kóduje protein jen malý zlomek celkové sekvence genomu. Například jen asi 1,5% lidského genomu tvoří exony kódující protein, přičemž více než 50% lidské DNA tvoří nekódující opakující se sekvence. Důvody přítomnosti tolika nekódující DNA v eukaryotických genomech a mimořádné rozdíly ve velikosti genomu, neboli C-hodnota, mezi druhy představují dlouholetou hádanku známou jako „záhada C-hodnoty“. Nicméně sekvence DNA, které nekódují protein, mohou stále kódovat funkční nekódující RNA molekuly, které se podílejí na regulaci genové exprese.

T7 RNA polymeráza (modrá) produkující mRNA (zelená) ze šablony DNA (oranžová).

Některé nekódující sekvence DNA hrají v chromozomech strukturální roli. Telomery a centromery obvykle obsahují málo genů, ale jsou důležité pro funkci a stabilitu chromozomů. Hojnou formou nekódující DNA u lidí jsou pseudogeny, což jsou kopie genů, které byly zneškodněny mutací. Tyto sekvence jsou obvykle jen molekulární fosilie, i když mohou příležitostně sloužit jako surový genetický materiál pro tvorbu nových genů procesem genové duplikace a divergence.

Přepis a překlad

Gen je sekvence DNA, která obsahuje genetickou informaci a může ovlivnit fenotyp organismu. V rámci genu sekvence bází podél řetězce DNA definuje poslovou RNA sekvenci, která pak definuje jednu nebo více proteinových sekvencí. Vztah mezi nukleotidovými sekvencemi genů a aminokyselinovými sekvencemi proteinů je určen podle pravidel překladu, souhrnně známých jako genetický kód. Genetický kód se skládá ze třípísmenných „slov“ nazývaných kodony vytvořených ze sekvence tří nukleotidů (např. ACT, CAG, TTT).

V transkripci jsou kodony genu zkopírovány do messengerové RNA pomocí RNA polymerázy. Tato kopie RNA je pak dekódována ribozomem, který čte sekvenci RNA pomocí bázového párování messengerové RNA pro přenos RNA, která přenáší aminokyseliny. Vzhledem k tomu, že existují 4 báze v třípísmenných kombinacích, existuje 64 možných kodonů (kombinací). Ty kódují dvacet standardních aminokyselin, což dává většině aminokyselin více než jeden možný kodon. Existují také tři ‚stop‘ nebo ‚nesmyslné‘ kodony znamenající konec kódovací oblasti; jedná se o kodony TAA, TGA a TAG.

Replikace DNA. Dvojitá šroubovice je odvinuta helikázou a topoizomerázou. Dále jedna DNA polymeráza produkuje přední vláknovou kopii. Další DNA polymeráza se váže na zaostávající vlákno. Tento enzym vytváří diskontinuální segmenty (nazývané Okazakiho fragmenty), než je ligasa DNA spojí dohromady.

Pro růst organismu je nezbytné buněčné dělení, ale když se buňka rozdělí, musí replikovat DNA ve svém genomu tak, aby obě dceřiné buňky měly stejnou genetickou informaci jako jejich rodič. Dvouvláknová struktura DNA poskytuje jednoduchý mechanismus replikace DNA. Zde jsou oba řetězce odděleny a poté je komplementární sekvence DNA každého řetězce znovu vytvořena enzymem zvaným DNA polymeráza. Tento enzym vytváří komplementární řetězec tak, že pomocí komplementárního párování bází najde správnou bázi a naváže ji na původní řetězec. Protože polymerázy DNA mohou prodloužit řetězec DNA pouze ve směru 5′ až 3′, používají se různé mechanismy ke kopírování antiparalelních řetězců dvojité šroubovice. Tímto způsobem báze na starém řetězci určuje, která báze se objeví na novém řetězci, a buňka skončí s dokonalou kopií své DNA.

Interakce s proteiny

Všechny funkce DNA závisí na interakcích s proteiny. Tyto proteinové interakce mohou být nespecifické, nebo se protein může vázat specificky na jednu sekvenci DNA. Enzymy se také mohou vázat na DNA a z nich jsou obzvláště důležité polymerázy, které kopírují sekvenci DNA báze při transkripci a replikaci DNA.

Strukturální proteiny, které vážou DNA, jsou dobře pochopitelnými příklady nespecifických interakcí DNA a proteinů. V rámci chromozomů je DNA držena v komplexech se strukturálními proteiny. Tyto proteiny organizují DNA do kompaktní struktury zvané chromatin. U eukaryot tato struktura zahrnuje vazbu DNA na komplex malých základních proteinů zvaných histony, zatímco u prokaryot se jedná o více typů proteinů. Histony tvoří komplex ve tvaru disku zvaný nukleozom, který obsahuje dva kompletní závity dvouvláknové DNA ovinuté kolem svého povrchu. Tyto nespecifické interakce vznikají prostřednictvím základních reziduí v histonech vytvářejících iontové vazby na kyselou cukrovo-fosfátovou páteř DNA, a jsou proto do značné míry nezávislé na základní sekvenci. Chemické modifikace těchto zbytků základních aminokyselin zahrnují metylaci, fosforylaci a acetylaci. Tyto chemické změny mění sílu interakce mezi DNA a histony, čímž se DNA stává více či méně přístupnou transkripčním faktorům a mění se rychlost transkripce. Mezi další nespecifické proteiny vázající DNA v chromatinu patří proteiny skupiny s vysokou mobilitou, které se vážou na ohnutou nebo deformovanou DNA. Tyto proteiny jsou důležité při ohýbání polí nukleozomů a jejich uspořádání do větších struktur, které tvoří chromozomy.

Odlišnou skupinou proteinů vázajících DNA jsou proteiny vázající DNA, které specificky vážou jednovláknovou DNA. U lidí je nejlépe pochopitelným členem této rodiny replikační protein A, který se používá v procesech, kde se odděluje dvojitá šroubovice, včetně replikace DNA, rekombinace a opravy DNA. Zdá se, že tyto vazebné proteiny stabilizují jednovláknovou DNA a chrání ji před tvorbou kmenových smyček nebo před degradací nukleázami.

Transkripční faktor lambda helix-turn-helix vázaný na cíl DNA

Naopak jiné proteiny se vyvinuly tak, aby vázaly konkrétní sekvence DNA. Nejintenzivněji zkoumané z nich jsou různé transkripční faktory, což jsou proteiny, které regulují transkripci. Každý transkripční faktor se váže na jednu konkrétní sadu sekvencí DNA a aktivuje nebo inhibuje transkripci genů, které mají tyto sekvence blízko ke svým promotorům. Transkripční faktory to dělají dvěma způsoby. Zaprvé, mohou vázat RNA polymerázu zodpovědnou za transkripci, buď přímo, nebo prostřednictvím jiných mediátorových proteinů; to lokalizuje polymerázu v promotoru a umožní mu začít transkripci. Alternativně mohou transkripční faktory vázat enzymy, které modifikují histony v promotoru; to změní přístupnost DNA šablony k polymeráze.

Vzhledem k tomu, že tyto cíle DNA se mohou vyskytovat v celém genomu organismu, mohou změny v aktivitě jednoho typu transkripčního faktoru ovlivnit tisíce genů. V důsledku toho jsou tyto proteiny často terčem signálních transdukčních procesů, které kontrolují reakce na změny prostředí nebo buněčnou diferenciaci a vývoj. Specifičnost interakcí těchto transkripčních faktorů s DNA vychází z toho, že proteiny navazují vícenásobné kontakty na okraje bází DNA, což jim umožňuje „číst“ sekvenci DNA. Většina těchto interakcí na bázi se odehrává v hlavní drážce, kde jsou báze nejvíce přístupné.

Restrikční enzym EcoRV (zelený) v komplexu s jeho substrátem DNA

Enzymy zvané DNA ligázy se mohou znovu spojit s přestřiženými nebo porušenými řetězci DNA. Ligázy jsou zvláště důležité při opožďující se řetězcové replikaci DNA, protože spojují krátké úseky DNA vytvořené na replikační vidlici do kompletní kopie šablony DNA. Používají se také při opravách DNA a genetické rekombinaci.

Topoisomerázy a helikázy

Topoisomerázy jsou enzymy s nukleázovou i ligázovou aktivitou. Tyto proteiny mění množství supercoilingu v DNA. Některé z těchto enzymů pracují tak, že řezají šroubovici DNA a umožňují rotaci jedné sekce, čímž snižují její úroveň supercoilingu; enzym pak zacelí zlom DNA. Jiné typy těchto enzymů jsou schopny řezat jednu šroubovici DNA a pak touto zlomem projít druhý řetězec DNA, než se šroubovice znovu připojí.[80] Topoisomerázy jsou vyžadovány pro mnoho procesů zahrnujících DNA, jako je replikace a transkripce DNA.

Helikázy jsou proteiny, které jsou typem molekulárního motoru. Používají chemickou energii v nukleosidových trifosfátech, převážně ATP, k rozbití vodíkových vazeb mezi bázemi a rozvázání dvoušroubovice DNA do jednotlivých vláken.[81] Tyto enzymy jsou nezbytné pro většinu procesů, kde enzymy potřebují přístup k bázím DNA.

Polymerázy jsou enzymy, které syntetizují polynukleotidové řetězce z nukleosidových trifosfátů. Posloupnost jejich produktů jsou kopie existujících polynukleotidových řetězců – kterým se říká šablony. Tyto enzymy fungují tak, že přidají nukleotidy na 3′ hydroxylovou skupinu předchozího nukleotidu v řetězci DNA. V důsledku toho všechny polymerázy pracují ve směru 5′ až 3′.[82] V aktivním místě těchto enzymů se příchozí nukleosidová trifosfátová báze páruje s šablonou: to umožňuje polymerázám přesně syntetizovat komplementární vlákno jejich šablony. Polymerázy jsou klasifikovány podle typu šablony, kterou používají.

Při replikaci DNA vytváří DNA-dependentní polymeráza DNA kopii sekvence DNA. Přesnost je v tomto procesu životně důležitá, takže mnohé z těchto polymeráz mají korekturní aktivitu. Zde polymeráza rozpozná občasné chyby v syntézní reakci tím, že chybí párování bází mezi neshodnými nukleotidy. Pokud je zjištěn nesoulad, aktivuje se 3′ až 5′ exonukleázová aktivita a nesprávná báze se odstraní.[83] Ve většině organismů fungují DNA polymerázy ve velkém komplexu zvaném replisome, který obsahuje více pomocných podjednotek, jako je například DNA svorka nebo helicases.[84]

RNA-dependentní DNA polymerázy jsou specializovanou třídou polymeráz, které kopírují sekvenci RNA řetězce do DNA. Zahrnují reverzní transkriptázu, což je virový enzym podílející se na infekci buněk retroviry, a telomerázu, která je potřebná pro replikaci telomer.[85] Telomeráza je neobvyklá polymeráza, protože obsahuje vlastní RNA šablonu jako součást své struktury.

Transkripce je prováděna RNA polymerázou závislou na DNA, která kopíruje sekvenci řetězce DNA do RNA. Pro zahájení transkripce genu se RNA polymeráza váže na sekvenci DNA zvanou promotor a odděluje řetězce DNA. Poté kopíruje sekvenci genu do transkriptu RNA messenger, dokud nedosáhne oblasti DNA zvané terminátor, kde se zastaví a odpojí od DNA. Stejně jako u DNA polymeráz závislých na lidské DNA, RNA polymeráza II, enzym, který přepisuje většinu genů v lidském genomu, funguje jako součást velkého proteinového komplexu s více regulačními a přídatnými podjednotkami.[86]

Rekombinace zahrnuje rozbití a opětovné spojení dvou chromozomů (M a F) za vzniku dvou přeuspořádaných chromozomů (C1 a C2).

Šroubovice DNA obvykle neinteraguje s jinými segmenty DNA a v lidských buňkách různé chromozomy dokonce zaujímají oddělené oblasti v jádře zvané „území chromozomů“.[88] Toto fyzikální oddělení různých chromozomů je důležité pro schopnost DNA fungovat jako stabilní úložiště informací, protože jeden z mála případů, kdy chromozomy interagují, je během chromozomálního křížení, kdy se rekombinují. Chromozomální křížení je, když se dvě šroubovice DNA zlomí, prohodí sekci a pak se znovu spojí.

Rekombinace umožňuje chromozomům vyměňovat si genetické informace a vytváří nové kombinace genů, což zvyšuje účinnost přirozeného výběru a může být důležité pro rychlý vývoj nových proteinů.[89] Genetická rekombinace se může také podílet na opravě DNA, zejména při reakci buňky na dvouvláknové zlomy.[90]

Nejběžnější formou chromozomálního křížení je homologní rekombinace, kdy oba dotčené chromozomy sdílejí velmi podobné sekvence. Nestomologní rekombinace může poškozovat buňky, protože může produkovat chromozomální translokace a genetické abnormality. Rekombinační reakce je katalyzována enzymy známými jako rekombinázy, jako je RAD51.[91] Prvním krokem rekombinace je dvouvláknový zlom způsobený buď endonukleázou nebo poškozením DNA.[92] Série kroků katalyzovaná částečně rekombinázou pak vede ke spojení obou šroubovic alespoň jednou Hollidayovou spojkou, v níž je segment jednoho vlákna v každé šroubovici žíhaný k doplňkovému vláknu v druhé šroubovici. Hollidayova spojka je struktura čtyřvláknové spojky, kterou lze pohybovat podél dvojice chromozomů a vyměňovat jedno vlákno za druhé. Rekombinační reakce je pak zastavena štěpením spojky a opětovnou ligací uvolněné DNA.[93]

DNA obsahuje genetickou informaci, která umožňuje všem moderním živým tvorům fungovat, růst a rozmnožovat se. Není však jasné, jak dlouho ve čtyřmiliardové historii života plnila DNA tuto funkci, protože se předpokládalo, že nejstarší formy života mohly používat RNA jako svůj genetický materiál.[82][94] RNA mohla působit jako centrální část raného buněčného metabolismu, protože může přenášet genetickou informaci a provádět katalýzu jako součást ribozymů.[95] Tento starověký svět RNA, kde by se nukleová kyselina používala jak pro katalýzu, tak pro genetiku, mohl ovlivnit vývoj současného genetického kódu založeného na čtyřech nukleotidových bázích. K tomu by došlo, protože počet unikátních bází v takovém organismu je kompromisem mezi malým počtem bází zvyšujících přesnost replikace a velkým počtem bází zvyšujících katalytickou účinnost ribozymů.[96]

Bohužel neexistuje žádný přímý důkaz o starověkých genetických systémech, protože obnova DNA z většiny fosilií je nemožná. Je to proto, že DNA přežije v prostředí méně než jeden milion let a v roztoku se pomalu rozkládá na krátké fragmenty.[97] Byla vznesena tvrzení o starší DNA, především zpráva o izolaci životaschopné bakterie z krystalu soli starého 250 milionů let,[98] ale tato tvrzení jsou kontroverzní.[99][100]

Byly vyvinuty metody pro vyčištění DNA od organismů, jako je extrakce fenol-chloroformu a manipulace s ní v laboratoři, jako jsou restrikční digesty a polymerázová řetězová reakce. Moderní biologie a biochemie intenzivně využívají těchto technik v technologii rekombinantní DNA. Rekombinantní DNA je uměle vytvořená sekvence DNA, která byla sestavena z jiných sekvencí DNA. Mohou být transformovány na organismy ve formě plazmidů nebo ve vhodném formátu pomocí virového vektoru.[101] Vyrobené geneticky modifikované organismy mohou být použity k výrobě produktů, jako jsou rekombinantní proteiny, používané v lékařském výzkumu,[102] nebo mohou být vypěstovány v zemědělství.[103][104]

Forenzní vědci mohou použít DNA v krvi, spermatu, kůži, slinách nebo vlasech nalezených na místě činu k identifikaci shodné DNA jedince, například pachatele. Tento proces se nazývá genetický snímání otisků prstů, nebo přesněji profilování DNA. Při profilování DNA se mezi lidmi porovnávají délky proměnných úseků opakující se DNA, jako jsou krátké tandemové opakování a minisatelity. Tato metoda je obvykle mimořádně spolehlivou technikou identifikace shodné DNA.[105] Identifikace však může být komplikovaná, pokud je místo činu kontaminováno DNA několika lidí.[106] Profilování DNA vyvinul v roce 1984 britský genetik Sir Alec Jeffreys,[107] a poprvé bylo použito ve forenzní vědě k usvědčení Colina Pitchforka v případu vražd v Enderby v roce 1988.[108]

Po osobách odsouzených za určité typy trestných činů může být požadováno, aby poskytly vzorek DNA do databáze. To pomohlo vyšetřovatelům vyřešit staré případy, kdy byl z místa činu získán pouze vzorek DNA. Profilování DNA může být také použito k identifikaci obětí hromadných nehod.[109] Na druhou stranu mnoho odsouzených osob bylo propuštěno z vězení na základě technik DNA, které nebyly k dispozici v době, kdy byl trestný čin původně spáchán.

Bioinformatika zahrnuje manipulaci, vyhledávání a vytěžování dat sekvencí DNA. Vývoj technik pro ukládání a vyhledávání sekvencí DNA vedl k široce uplatňovanému pokroku v počítačové vědě, zejména algoritmům pro vyhledávání řetězců, strojovému učení a teorii databází.[110] Algoritmy pro vyhledávání řetězců nebo porovnávání řetězců, které nacházejí výskyt sekvence písmen uvnitř větší sekvence písmen, byly vyvinuty pro vyhledávání specifických sekvencí nukleotidů.[111] V jiných aplikacích, jako jsou textové editory, i jednoduché algoritmy pro tento problém obvykle postačují, ale sekvence DNA způsobují, že tyto algoritmy vykazují téměř nejhorší možné chování vzhledem k malému počtu odlišných znaků. Související problém řazení sekvencí si klade za cíl identifikovat homologní sekvence a lokalizovat specifické mutace, které je činí odlišnými. Tyto techniky, zejména vícenásobné seřazení sekvencí, se používají při studiu fylogenetických vztahů a funkce proteinů.[112] Soubory dat představující sekvence DNA celých genomů, například ty, které byly vytvořeny v rámci projektu Human Genome Project, se obtížně používají bez anotací, které označují umístění genů a regulačních prvků na každém chromozomu. Oblasti sekvencí DNA, které mají charakteristické vzory spojené s geny kódujícími proteiny nebo RNA, mohou být identifikovány pomocí algoritmů pro vyhledávání genů, které výzkumníkům umožňují předpovídat přítomnost konkrétních genových produktů v organismu ještě předtím, než byly experimentálně izolovány.[113]

Struktura DNA vlevo (schéma znázorněno) se sama shromáždí do struktury vizualizované mikroskopií atomových sil vpravo. DNA nanotechnologie je obor, který se snaží navrhovat struktury v nanoměřítku s využitím molekulárních rozpoznávacích vlastností molekul DNA. Obrázek ze Strongu, 2004.

Nanotechnologie DNA využívá unikátních vlastností DNA a dalších nukleových kyselin při rozpoznávání molekul k vytvoření samouspořádávajících rozvětvených komplexů DNA s užitečnými vlastnostmi. DNA se tak využívá spíše jako strukturní materiál než jako nosič biologické informace. To vedlo k vytvoření dvourozměrných periodických mřížek (jak dlaždicových, tak i pomocí metody „DNA origami“) a také trojrozměrných struktur ve tvarech mnohostěnu. Byly také demonstrovány nanomechanické přístroje a algoritmické samouspořádávání a tyto struktury DNA byly použity k šablonování uspořádání dalších molekul, jako jsou nanočástice zlata a proteiny streptavidinu.

Vzhledem k tomu, že DNA v průběhu času sbírá mutace, které se poté dědí, obsahuje historické informace a porovnáním sekvencí DNA mohou genetici odvodit evoluční historii organismů, jejich fylogenezi.[114] Tento obor fylogenetiky je mocným nástrojem v evoluční biologii. Pokud se porovnávají sekvence DNA v rámci druhu, mohou se populační genetici dozvědět historii konkrétních populací. To může být použito ve studiích od ekologické genetiky až po antropologii; například důkazy DNA se používají k pokusu identifikovat Deset ztracených kmenů Izraele.[115][116]

DNA byla také použita při pohledu na moderní rodinné vztahy, jako je navázání rodinných vztahů mezi potomky Sally Hemingsové a Thomase Jeffersona. Toto použití úzce souvisí s použitím DNA při vyšetřování trestných činů popsaných výše. Některá vyšetřování trestných činů byla skutečně vyřešena, když DNA z míst činu odpovídala příbuzným vinného jedince.[117]

DNA byla poprvé izolována švýcarským lékařem Friedrichem Miescherem, který v roce 1869 objevil mikroskopickou látku v hnisu vyřazených chirurgických obvazů. Protože sídlila v jádrech buněk, nazval ji „nuklein“.[118] V roce 1919 následoval tento objev, po němž Phoebus Levene určil základní, cukernou a fosfátovou nukleotidovou jednotku.[119] Levene naznačil, že DNA se skládá z řetězce nukleotidových jednotek spojených dohromady prostřednictvím fosfátových skupin. Levene si však myslel, že řetězec je krátký a báze se opakují v pevném pořadí. V roce 1937 William Astbury vytvořil první rentgenové difrakční obrazce, které ukázaly, že DNA má pravidelnou strukturu.[120]

V roce 1928 Frederick Griffith zjistil, že znaky „hladké“ formy zápalu plic mohou být přeneseny do „drsné“ formy stejných bakterií smícháním zabitých „hladkých“ bakterií s živou „drsnou“ formou.[121] Tento systém poskytl první jasný náznak, že DNA nese genetickou informaci, když Oswald Avery spolu se spolupracovníky Colinem MacLeodem a Maclynem McCartym identifikovali v roce 1943 DNA jako transformační princip.[122] Role DNA v dědičnosti byla potvrzena v roce 1952, kdy Alfred Hershey a Martha Chaseovi v experimentu Hershey-Chase ukázali, že DNA je genetický materiál fágu T2.[123]

V roce 1953 na základě rentgenových difrakčních snímků[124] pořízených Rosalindou Franklinovou a informací, že základny byly spárovány, James D. Watson a Francis Crick navrhli[124] to, co je nyní akceptováno jako první přesný model struktury DNA v časopise Nature. Experimentální důkazy pro Watsonův a Crickův model byly publikovány v sérii pěti článků ve stejném čísle časopisu Nature.[125] Z nich byla práce Franklina a Raymonda Goslinga první publikací rentgenových difrakčních dat, která podpořila Watsonův a Crickův model,[126][127] toto číslo také obsahovalo článek o struktuře DNA od Maurice Wilkinse a jeho kolegů.[128] V roce 1962, po Franklinově smrti, Watson, Crick a Wilkins společně obdrželi Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu.[129] Nicméně pokračuje debata o tom, kdo by měl dostat uznání za objev.[130]

Ve vlivné prezentaci v roce 1957 Crick vyložil „Centrální Dogma“ molekulární biologie, které předpovědělo vztah mezi DNA, RNA a proteiny a formulovalo „adaptérovou hypotézu“.[131] Konečné potvrzení replikačního mechanismu, který byl implikován dvoušroubovitou strukturou, následovalo v roce 1958 prostřednictvím experimentu Meselson-Stahl.[132] Další práce Cricka a spolupracovníků ukázala, že genetický kód byl založen na nepřekrývajících se trojčatech bází, zvaných kodony, což umožnilo Haru Gobindovi Khoranovi, Robertu W. Holleymu a Marshallu Warrenbergovi rozluštit genetický kód.[133] Tato zjištění představují zrod molekulární biologie.