Bilgi

Tipik DNA replikasyon süreleri

Tipik DNA replikasyon süreleri


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Sadece meraktan (biyolojiye tamamen yabancıyım), internette bu bilgiyi bulamadığım için: Tüm DNA replikasyon süreci ne kadar sürer? (Diyelim ki, bütün bir kromozomun replikasyonu) DNA, replikasyon sırasında tek bir sarmal yapıda yaklaşık ne kadar zaman harcar?

Polimerazın çift sarmalı kesmeye başladığı andan mükemmel şekilde oluşturulmuş iki çift sarmal (biri diğerinin bir kopyası) olduğu ana kadar bu süreçlerin zaman ölçeklerini merak ediyorum. Bu ne kadar sürebilir? milisaniye? saniye?


Bir memeli hücresi yaklaşık 8 saat içindeki tüm DNA'sını kopyalamak için S fazı; bir maya hücresi yaklaşık 40 dakika.

Hakkında tam olarak doğru bilgiye sahip olmadığınız diğer bazı bilgiler:

  1. DNA polimeraz, DNA'yı çözmez/bölmez - bu, DNA'nın işidir. DNA sarmalı. DNA polimeraz, helikaz çift sarmallı DNA'yı çözene ("erir") veya dsDNA yüksek sıcaklık yoluyla bir test tüpünde yapay olarak eritilene kadar tek sarmallı DNA'ya bağlanamaz.

  2. dsDNA, kopyalanmadan önce tam olarak ayrılmamıştır. On binlerce site var-replikasyonun kökenleri-hücre genomunu her çoğalttığında gevşeyen ve çoğalmaya başlayan genom boyunca.

"… Çoğu ökaryotik hücrede DNA replikasyonu, yalnızca hücre bölünmesi döngüsünün belirli bir bölümünde gerçekleşir. DNA sentez aşaması veya S fazı. Bir memeli hücresinde, S fazı tipik olarak yaklaşık 8 saat; Mayalar gibi daha basit ökaryotik hücrelerde S fazı şu kadar kısa olabilir: 40 dakika."

"Ortalama büyüklükte bir insan kromozomu, yaklaşık 150 milyon nükleotid çiftinden oluşan tek bir lineer DNA molekülü içerir. Böyle bir DNA molekülünü sondan itibaren kopyalamak (0.02 saniye/nükleotit) x (150e6 nükleotit) = 3e6 saniye (yaklaşık 35 gün) sürer. bitirmek tek bir çoğaltma çatalı ile."

"... Bir insan hücresi her bölündüğünde yaklaşık 30.000-50.000 replikasyon kaynağı kullanılır."

-Molecular Biology of the Cell, 6e, Alberts, et al.


DNA replikasyonu hakkındaki görüşünüz, iplik ayrılmasıyla (“tek sarmal yapı” dediğiniz şeyi üreten) ilişkili olarak biraz hedef dışı olduğunu düşünüyorum. DNA iplikçikleri, replikasyon meydana geldikçe sürekli olarak ayrılır ve daha sonra DNA polimeraz tarafından oldukça hızlı bir şekilde kopyalanırlar. Tamamen ayrılıp kopyalanmazlar. (Ve DNA polimeraz hiçbir şeyi kesmez.)

Ancak, konuyla ilgili daha fazla bilgi edinebileceğiniz çevrimiçi ders kitaplarından bazı tipik zamanlar:

bakteri hücreleri

Hücrenin Moleküler Biyolojisi ders kitabına göre:

"Alır E. koli hakkında 40 dakika 4.6 × 10 genomunu kopyalamak için6 nükleotid çiftleri.”

Ve bu, önceki bir sorunun cevabında tartışıldı.

Hayvan Hücreleri

The Cell adlı ders kitabına göre:

… yaklaşık 24 saatte bir bölünen kültürdeki insan hücreleri.

Bununla birlikte, belirtilen bölümde açıklandığı gibi, S fazı - DNA sentezi gerçekleştiğinde - sadece yaklaşık 8 saat. (Bunu belirttiği için @rotaredom'a teşekkürler.)


Bir DNA dupleksine geçici olarak gömülü molekül içi G-dörtlülerinin katlanma ve kalıcılık süreleri

Phong Lan Thao Tran, Martin Rieu, Samar Hodeib, Alexandra Joubert, Jimmy Ouellet, Patrizia Alberti, Anthony Bugaut, Jean-François Allemand, Jean-Baptiste Boulé, Vincent Croquette, DNA'ya geçici olarak gömülü intramoleküler G-dörtlülerinin katlanma ve kalıcılık süreleri dubleks, Nükleik Asitler Araştırması, Cilt 49, Sayı 9, 21 Mayıs 2021, Sayfa 5189–5201, https://doi.org/10.1093/nar/gkab306


Bu kursun dört ünitesini tamamladıktan sonra şunları yapabilmelisiniz:

  • Karbonhidratların, fosfolipidlerin, proteinlerin, enzimlerin ve nükleik asitlerin genel yapı ve işlevlerini tanımlar.
  • Hücre tarafından şekerden hücresel enerji üretmek ve Calvin döngüsü için gereken enerji ve indirgeyici maddeyi üretmek için kullanılan genel süreçleri özetleyin.
  • DNA'nın genetik materyal olarak nasıl gösterildiğini ve DNA'nın nasıl kopyalandığını açıklayın.
  • Genlerin yapısını ve düzenlenmesini ve proteinlerin yapısını ve sentezini tanımlayın.
  • Mendel genetiğine dayalı iki veya daha fazla özelliğin kalıtımını anlayın. Bu bilgiyi insan soyağacı çizmeye ve kodunu çözmeye uygulayın.
  • İlgili genler bağlantılı olduğunda özelliklerin kalıtımını anlayın.
  • İlgili genler bağlantılı veya bağlantısız olduğunda, iki veya daha fazla özelliği içeren genetik çaprazlamaların sonuçlarını tahmin edin.
  • Rekombinant DNA teknolojilerinde kullanılan genel araçları ve reaktifleri anlayın.
  • Bir rekombinant DNA kütüphanesi yapmak, bir rekombinant DNA kütüphanesini taramak ve tanımlanan DNA fragmanını analiz etmek için genel bir stratejinin ana hatlarını çizin.
  • Rekombinant DNA tekniklerini kullanarak ilgilenilen bir geni belirlemek için genel bir strateji tasarlayın.

Erişim seçenekleri

1 yıl boyunca tam dergi erişimi elde edin

Tüm fiyatlar NET fiyatlardır.
KDV daha sonra ödeme sırasında eklenecektir.
Vergi hesaplaması ödeme sırasında kesinleşecektir.

ReadCube'de zaman sınırlı veya tam makale erişimi elde edin.

Tüm fiyatlar NET fiyatlardır.


İçindekiler

DNA genellikle tek bir iplikçik olarak bulunmaz, bunun yerine sıkıca bir arada tutulan bir çift iplik olarak bulunur. [9] [12] Bu iki uzun iplik çift sarmal şeklinde birbirinin etrafına sarılır. Nükleotid, hem molekülün omurgasının bir bölümünü (zinciri bir arada tutan) hem de bir nükleobazı (sarmaldaki diğer DNA zinciriyle etkileşime giren) içerir. Bir şekere bağlı bir nükleobaza nükleozid, bir şekere ve bir veya daha fazla fosfat grubuna bağlı bir baza nükleotit denir. Birden çok bağlı nükleotitten (DNA'da olduğu gibi) oluşan bir biyopolimer, bir polinükleotit olarak adlandırılır. [13]

DNA zincirinin omurgası, değişen fosfat ve şeker gruplarından yapılır. [14] DNA'daki şeker, bir pentoz (beş karbonlu) şeker olan 2-deoksiribozdur. Şekerler, bitişik şeker halkalarının üçüncü ve beşinci karbon atomları arasında fosfodiester bağları oluşturan fosfat grupları tarafından birleştirilir. Bunlar, 3'-uç (üç asal uç) ve 5'-uç (beş asal uç) karbonlar olarak bilinir, bu karbon atomlarını deoksiribozun bir glikosidik bağ oluşturduğu bazdan ayırmak için kullanılan asal sembol . Bu nedenle, herhangi bir DNA zincirinin normal olarak bir ucu, bir ribozun 5' karbonuna (5' fosforil) bağlı bir fosfat grubu ve 3' karbonuna bağlı bir serbest hidroksil grubu bulunan bir başka uca sahiptir. riboz (3' hidroksil). Şeker-fosfat omurgası boyunca 3' ve 5' karbonların oryantasyonu, her DNA zincirine yönsellik (bazen polarite olarak adlandırılır) verir. Bir nükleik asit çift sarmalında, bir iplikteki nükleotitlerin yönü, diğer iplikteki yönlerine zıttır: iplikler antiparaleldir. DNA ipliklerinin asimetrik uçlarının, 5' ucunun bir terminal fosfat grubuna ve 3' ucunun bir terminal hidroksil grubuna sahip olduğu, beş asal uç (5') ve üç asal uca (3') sahip olduğu söylenir. DNA ve RNA arasındaki önemli bir fark şekerdir, DNA'daki 2-deoksiribozun yerini RNA'daki alternatif pentoz şeker riboz alır. [12]

Nükleobaz sınıflandırması

Kanonik olmayan bazlar

DNA'da modifiye bazlar oluşur. Bunlardan ilki, genomunda bulunan 5-metilsitozindi. Tüberküloz [20] Bakteriyel virüslerde (bakteriyofajlar) bu kanonik olmayan bazların varlığının nedeni, bakterilerde bulunan restriksiyon enzimlerinden kaçınmaktır. Bu enzim sistemi, en azından kısmen, bakterileri virüslerin neden olduğu enfeksiyondan koruyan moleküler bir bağışıklık sistemi olarak hareket eder. [21] Daha yaygın ve modifiye DNA bazları olan sitozin ve adenin bazlarının modifikasyonları, bitkilerde ve hayvanlarda gen ekspresyonunun epigenetik kontrolünde hayati roller oynar. [22]

DNA'da bulunan kanonik olmayan bazların listesi

DNA'da bir dizi kanonik olmayan baz olduğu bilinmektedir. [23] Bunların çoğu, kanonik bazlar artı urasil modifikasyonlarıdır.

  • Değiştirilmiş adenosin
    • N6-karbamoil-metiladenin
    • N6-metyadenin
    • 7-Deazaguanin
    • 7-Metilguanin
    • N4-Metilsitozin
    • 5-Karboksilsitozin
    • 5-Formilsitozin
    • 5-Glikosilhidroksimetilsitozin
    • 5-Hidroksisitozin
    • 5-Metilsitozin
    • α-Glutamitimidin
    • α-Putressiniltimin
    • Temel J
    • urasil
    • 5-Dihidroksipentaurasil
    • 5-Hidroksimetildeoksiurasil
    • deoksiarkeozin
    • 2,6-Diaminopurin (2-Aminoadenin)

    Oluklar

    İkiz sarmal iplikler DNA omurgasını oluşturur. Teller arasındaki boşlukları veya olukları izleyen başka bir çift sarmal bulunabilir. Bu boşluklar baz çiftlerine bitişiktir ve bir bağlanma yeri sağlayabilir. Teller birbirine göre simetrik olarak yerleştirilmediğinden, oluklar eşit olmayan boyuttadır. Bir oluk, ana oluk 22 angström (2,2 nm) genişliğinde ve diğeri, küçük oluk 12 Å (1,2 nm) genişliğindedir. [24] Büyük oluğun genişliği, tabanların kenarlarına, ana olukta küçük oluğa göre daha erişilebilir olduğu anlamına gelir. Sonuç olarak, çift sarmallı DNA'daki spesifik dizilere bağlanabilen transkripsiyon faktörleri gibi proteinler, genellikle ana olukta açığa çıkan bazların yanları ile temas eder. [25] Bu durum, hücre içindeki DNA'nın olağandışı konformasyonlarında değişiklik gösterir. (aşağıya bakınız), ancak büyük ve küçük oluklar her zaman DNA'nın normal B formuna döndürülmesi durumunda görülecek olan boyut farklılıklarını yansıtacak şekilde adlandırılır.

    Baz eşleştirme

    SsDNA'ya karşı dsDNA

    Laboratuarda, bu etkileşimin gücü, hidrojen bağlarının yarısını kırmak için gerekli sıcaklık, bunların erime sıcaklığı (ayrıca denir) bulunarak ölçülebilir. Tm değer). Bir DNA çift sarmalındaki tüm baz çiftleri eridiğinde, iplikler ayrılır ve çözeltide tamamen bağımsız iki molekül olarak bulunur. Bu tek sarmallı DNA moleküllerinin tek bir ortak şekli yoktur, ancak bazı konformasyonlar diğerlerinden daha kararlıdır. [30]

    Anlam ve antisens

    Bir DNA dizisi, proteine ​​çevrilmiş bir haberci RNA kopyasınınkiyle aynıysa, "duyu" dizisi olarak adlandırılır. [31] Karşı iplikteki diziye "antisens" dizisi denir. Hem duyu hem de duyu olmayan diziler, aynı DNA dizisinin farklı kısımlarında bulunabilir (yani her iki dizi de hem duyu hem de duyu olmayan dizileri içerebilir). Hem prokaryotlarda hem de ökaryotlarda antisens RNA dizileri üretilir, ancak bu RNA'ların işlevleri tam olarak açık değildir. [32] Bir öneri, antisens RNA'ların, RNA-RNA baz eşleşmesi yoluyla gen ekspresyonunun düzenlenmesinde yer almasıdır. [33]

    Prokaryotlarda ve ökaryotlarda ve daha çok plazmitlerde ve virüslerde birkaç DNA dizisi, örtüşen genlere sahip olarak duyu ve duyu olmayan iplikler arasındaki ayrımı bulanıklaştırır. [34] Bu durumlarda, bazı DNA dizileri, bir iplik boyunca okunduğunda bir proteini ve diğer iplik boyunca zıt yönde okunduğunda ikinci bir proteini kodlayarak çift görev yapar. Bakterilerde, bu örtüşme gen transkripsiyonunun düzenlenmesinde rol oynayabilir [35], virüslerde ise örtüşen genler küçük viral genom içinde kodlanabilecek bilgi miktarını arttırır. [36]

    Süper sarma

    DNA süper sarmal adı verilen bir süreçte DNA bir ip gibi bükülebilir. DNA "gevşemiş" durumdayken, bir iplik genellikle her 10.4 baz çiftinde bir çift sarmalın eksenini çevreler, ancak DNA bükülürse iplikler daha sıkı veya daha gevşek sarılır. [37] DNA sarmal yönünde bükülürse, bu pozitif süper-sarılmadır ve bazlar daha sıkı bir şekilde bir arada tutulur. Ters yönde bükülürlerse, bu negatif aşırı sarmadır ve tabanlar daha kolay ayrılır. Doğada, çoğu DNA, topoizomeraz adı verilen enzimler tarafından tanıtılan hafif negatif süper sarmallığa sahiptir. [38] Bu enzimler ayrıca, transkripsiyon ve DNA replikasyonu gibi işlemler sırasında DNA ipliklerine verilen bükülme streslerini gidermek için de gereklidir. [39]

    Alternatif DNA yapıları

    DNA, A-DNA, B-DNA ve Z-DNA formlarını içeren birçok olası konformasyonda bulunur, ancak fonksiyonel organizmalarda sadece B-DNA ve Z-DNA doğrudan gözlemlenmiştir. [14] DNA'nın benimsediği konformasyon, hidrasyon seviyesine, DNA dizisine, süper sarmanın miktarına ve yönüne, bazların kimyasal modifikasyonlarına, metal iyonlarının tipine ve konsantrasyonuna ve çözeltideki poliaminlerin varlığına bağlıdır. [40]

    A-DNA X-ışını kırınım modellerinin ve ayrıca B-DNA'nın yayınlanmış ilk raporları, yönlendirilmiş DNA lifleri için yalnızca sınırlı miktarda yapısal bilgi sağlayan Patterson dönüşümlerine dayalı analizler kullandı. [41] [42] Daha sonra Wilkins tarafından alternatif bir analiz önerildi. ve diğerleriiçin 1953 yılında canlıda Bessel fonksiyonlarının kareleri cinsinden yüksek oranda hidratlı DNA liflerinin B-DNA X-ışını kırınım-saçılım modelleri. [43] Aynı dergide, James Watson ve Francis Crick, yapının bir çift sarmal olduğunu önermek için DNA X-ışını kırınım modellerinin moleküler modelleme analizini sundular. [9]

    rağmen B-DNA formu hücrelerde bulunan koşullar altında en yaygın olanıdır, [44] iyi tanımlanmış bir konformasyon değil, hücrelerde bulunan yüksek hidrasyon seviyelerinde meydana gelen ilgili DNA konformasyonlarının bir ailesidir [45]. Karşılık gelen X-ışını kırınımı ve saçılma modelleri, önemli derecede düzensizliğe sahip moleküler parakristallerin karakteristiğidir. [46] [47]

    B-DNA ile karşılaştırıldığında, A-DNA formu, sığ, geniş küçük bir oluğa ve daha dar, daha derin bir ana oluğa sahip, daha geniş bir sağ elli spiraldir. A formu, kısmen dehidre DNA numunelerinde fizyolojik olmayan koşullar altında meydana gelirken, hücrede DNA ve RNA ipliklerinin hibrit çiftlerinde ve enzim-DNA komplekslerinde üretilebilir. [48] ​​[49] Bazların metilasyon yoluyla kimyasal olarak değiştirildiği DNA segmentleri, daha büyük bir konformasyon değişikliğine uğrayabilir ve Z formunu alabilir. Burada, teller, daha yaygın olan B formunun tersi olan, sol elli bir spiralde sarmal eksen etrafında döner. [50] Bu olağandışı yapılar, spesifik Z-DNA bağlayıcı proteinler tarafından tanınabilir ve transkripsiyonun düzenlenmesinde rol oynayabilir. [51]

    Alternatif DNA kimyası

    Uzun yıllar boyunca, ekzobiyologlar, şu anda bilinen yaşamdan radikal olarak farklı biyokimyasal ve moleküler süreçler kullanan, Dünya'nın varsayılan bir mikrobiyal biyosferi olan bir gölge biyosferinin varlığını öne sürdüler. Önerilerden biri, DNA'da fosfor yerine arsenik kullanan yaşam formlarının varlığıydı. 2010 yılında GFAJ-1 bakterisinde olasılığa ilişkin bir rapor açıklandı, [52] [53] araştırma tartışmalı olmasına rağmen, [53] [54] ve kanıtlar, bakterinin arseniğin DNA omurgasına dahil edilmesini aktif olarak engellediğini gösteriyor ve diğer biyomoleküller. [55]

    Dörtlü yapılar

    Lineer kromozomların uçlarında telomer adı verilen özel DNA bölgeleri bulunur. Bu bölgelerin ana işlevi, normalde DNA'yı kopyalayan enzimler kromozomların uç 3' uçlarını kopyalayamadığından, hücrenin telomeraz enzimini kullanarak kromozom uçlarını kopyalamasına izin vermektir. [56] Bu özel kromozom kapakları ayrıca DNA uçlarının korunmasına yardımcı olur ve hücredeki DNA onarım sistemlerinin onları düzeltilecek hasar olarak ele almasını engeller. [57] İnsan hücrelerinde, telomerler genellikle basit bir TTAGGG dizisinin birkaç bin tekrarını içeren tek iplikli DNA uzunluklarıdır. [58]

    Bu guanin açısından zengin diziler, diğer DNA moleküllerinde bulunan olağan baz çiftleri yerine, istiflenmiş dört-bazlı ünite kümelerinin yapılarını oluşturarak kromozom uçlarını stabilize edebilir. Burada, guanin tetrad olarak bilinen dört guanin bazı, düz bir plaka oluşturur. Bu düz dört tabanlı birimler daha sonra kararlı bir G-dörtlü yapı oluşturmak için üst üste yığılır. [60] Bu yapılar, bazların kenarları arasındaki hidrojen bağı ve her dört-bazlı birimin merkezinde bir metal iyonunun şelatlanması ile stabilize edilir. [61] Diğer yapılar da oluşturulabilir, dört tabandan oluşan merkezi küme, ya tabanların etrafına katlanmış tek bir iplikten ya da her biri merkezi yapıya bir taban katkıda bulunan birkaç farklı paralel şeritten gelir.

    Bu yığılmış yapılara ek olarak, telomerler ayrıca telomer ilmekleri veya T ilmekleri adı verilen büyük ilmek yapıları oluşturur. Burada, tek sarmallı DNA, telomer bağlayıcı proteinler tarafından stabilize edilmiş uzun bir daire içinde kıvrılır. [62] T halkasının en sonunda, tek sarmallı telomer DNA, çift sarmal DNA'yı bozan telomer sarmalı tarafından çift sarmallı DNA'nın bir bölgesinde tutulur ve iki sarmaldan birine baz eşleşmesi sağlanır. Bu üç iplikli yapıya bir yer değiştirme döngüsü veya D-döngüsü denir. [60]

    Dallanmış DNA

    DNA'da, aksi takdirde tamamlayıcı bir çift sarmallı DNA'nın sonunda tamamlayıcı olmayan bölgeler bulunduğunda yıpranma meydana gelir. Bununla birlikte, dallanmış DNA, üçüncü bir DNA dizisi eklenirse ve önceden var olan çift zincirin yıpranmış bölgeleriyle hibritleşebilen bitişik bölgeler içeriyorsa oluşabilir. Dallanmış DNA'nın en basit örneği sadece üç DNA zincirini içerse de, ilave zincirler ve çoklu dallar içeren kompleksler de mümkündür. [63] Dallanmış DNA nanoteknolojide geometrik şekiller oluşturmak için kullanılabilir, aşağıdaki teknolojide kullanımlar bölümüne bakın.

    Yapay bazlar

    Birkaç yapay nükleobaz sentezlendi ve Hachimoji DNA adlı sekiz bazlı DNA analoğuna başarıyla dahil edildi. S, B, P ve Z olarak adlandırılan bu yapay bazlar, birbirleriyle tahmin edilebilir bir şekilde (S–B ve P–Z) bağlanma, DNA'nın çift sarmal yapısını koruma ve RNA'ya kopyalanma yeteneğine sahiptir. Onların varlığı, Dünya'da gelişen dört doğal nükleobaz hakkında özel bir şey olmadığının bir göstergesi olarak görülebilir. [64] [65] Öte yandan, DNA, sadece DNA'nın bir kopyası olarak hareket etmeyen, aynı zamanda hücrelerde moleküler makineler olarak birçok görevi yerine getiren RNA ile sıkı bir şekilde ilişkilidir. Bunun için bir yapıya katlanmak zorundadır. Tüm olası yapıların yaratılmasına izin vermek için karşılık gelen RNA için en az dört bazın gerekli olduğu, [66] daha yüksek bir sayının da mümkün olduğu gösterilmiştir, ancak bu, doğal en az çaba ilkesine aykırı olacaktır.

    Baz modifikasyonları ve DNA paketleme

    Genlerin ifadesi, DNA'nın kromatin adı verilen bir yapıda kromozomlarda nasıl paketlendiğinden etkilenir. Baz modifikasyonları, genellikle yüksek seviyelerde sitozin bazlarının metilasyonunu içeren düşük veya hiç gen ekspresyonu olmayan bölgelerle paketlemede yer alabilir. DNA paketlemesi ve bunun gen ekspresyonu üzerindeki etkisi, DNA'nın kromatin yapısına sarıldığı histon protein çekirdeğinin kovalent modifikasyonları ile veya kromatin yeniden modelleme kompleksleri tarafından gerçekleştirilen yeniden modelleme ile de meydana gelebilir (bakınız Kromatin yeniden şekillenmesi). Ayrıca DNA metilasyonu ve histon modifikasyonu arasında çapraz konuşma vardır, böylece kromatin ve gen ekspresyonunu koordineli olarak etkileyebilirler. [67]

    Bir örnek olarak, sitozin metilasyonu, kromozomların X inaktivasyonu için önemli olan 5-metilsitozini üretir. [68] Ortalama metilasyon seviyesi organizmalar arasında değişiklik gösterir. Caenorhabditis elegans sitozin metilasyonundan yoksundur, oysa omurgalılar daha yüksek seviyelere sahiptir ve DNA'larının %1'e kadarı 5-metilsitozin içerir. [69] 5-metilsitosinin önemine rağmen, bir timin bazı bırakmak için deaminasyon yapabilir, bu nedenle metillenmiş sitozinler mutasyonlara özellikle eğilimlidir. [70] Diğer baz modifikasyonları arasında bakterilerde adenin metilasyonu, beyinde 5-hidroksimetilsitozin varlığı, [71] ve kinetoplastidlerde "J-baz" üretmek için urasil glikosilasyonu yer alır. [72] [73]

    Hasar

    DNA dizisini değiştiren birçok mutajen türü DNA'ya zarar verebilir. Mutajenler arasında oksitleyici ajanlar, alkilleyici ajanlar ve ayrıca ultraviyole ışık ve X-ışınları gibi yüksek enerjili elektromanyetik radyasyon bulunur. Üretilen DNA hasarının tipi mutajen tipine bağlıdır. Örneğin, UV ışığı, pirimidin bazları arasında çapraz bağlar olan timin dimerleri üreterek DNA'ya zarar verebilir. [75] Öte yandan, serbest radikaller veya hidrojen peroksit gibi oksidanlar, özellikle guanozin olmak üzere baz modifikasyonları ve çift zincir kırılmaları dahil olmak üzere çok sayıda hasar formu üretir. [76] Tipik bir insan hücresi, oksidatif hasar görmüş yaklaşık 150.000 baz içerir. [77] Bu oksidatif lezyonlardan en tehlikelisi çift zincir kırıklarıdır, çünkü bunların onarılması zordur ve nokta mutasyonlar, eklemeler, DNA dizisinden delesyonlar ve kromozomal translokasyonlar üretebilir. [78] Bu mutasyonlar kansere neden olabilir. DNA onarım mekanizmalarındaki doğal sınırlar nedeniyle, insanlar yeterince uzun yaşarsa, sonunda kansere yakalanacaklardı. [79] [80] Reaktif oksijen türleri üreten normal hücresel süreçler, hücresel suyun hidrolitik aktiviteleri vb. nedeniyle doğal olarak meydana gelen DNA hasarları da sıklıkla meydana gelir. Bu hasarların çoğu onarılsa da, herhangi bir hücrede onarım işlemlerinin etkisine rağmen bir miktar DNA hasarı kalabilir. Bu kalan DNA hasarları, memeli postmitotik dokularında yaşla birlikte birikir. Bu birikim, yaşlanmanın altında yatan önemli bir neden gibi görünmektedir. [81] [82] [83]

    Birçok mutajen, iki bitişik baz çifti arasındaki boşluğa sığar, buna denir. araya girme. Çoğu interkalatör aromatiktir ve düzlemsel molekül örnekleri arasında etidyum bromür, akridinler, daunomisin ve doksorubisin bulunur. Bir interkalatörün baz çiftleri arasına sığması için bazların ayrılması ve çift sarmalın çözülmesiyle DNA zincirlerinin bozulması gerekir. Bu, hem transkripsiyonu hem de DNA replikasyonunu inhibe ederek toksisiteye ve mutasyonlara neden olur. [84] Sonuç olarak, DNA interkalatörleri kanserojen olabilir ve talidomid durumunda bir teratojen olabilir. [85] Benzo gibi diğerleri[a]piren diol epoksit ve aflatoksin, replikasyonda hatalara neden olan DNA eklentileri oluşturur. [86] Bununla birlikte, DNA transkripsiyonunu ve replikasyonunu inhibe etme yetenekleri nedeniyle, hızla büyüyen kanser hücrelerini inhibe etmek için kemoterapide diğer benzer toksinler de kullanılır. [87]

    DNA genellikle ökaryotlarda lineer kromozomlar ve prokaryotlarda dairesel kromozomlar olarak bulunur. Bir hücredeki kromozom seti, onun genomunu oluşturur; insan genomu, 46 kromozom halinde düzenlenmiş yaklaşık 3 milyar baz DNA çiftine sahiptir. [88] DNA tarafından taşınan bilgi, gen adı verilen DNA parçaları dizisinde tutulur. Genlerdeki genetik bilginin iletimi, tamamlayıcı baz eşleşmesi yoluyla sağlanır. Örneğin, transkripsiyonda, bir hücre bir gendeki bilgiyi kullandığında, DNA ve doğru RNA nükleotitleri arasındaki çekim yoluyla DNA dizisi tamamlayıcı bir RNA dizisine kopyalanır. Genellikle, bu RNA kopyası daha sonra, RNA nükleotitleri arasındaki aynı etkileşime bağlı olan, çeviri adı verilen bir süreçte eşleşen bir protein dizisi yapmak için kullanılır. Alternatif bir şekilde, bir hücre, DNA replikasyonu adı verilen bir süreçte genetik bilgisini basitçe kopyalayabilir. Bu işlevlerin ayrıntıları diğer makalelerde ele alınmaktadır, burada odak noktası, DNA ile genomun işlevine aracılık eden diğer moleküller arasındaki etkileşimlerdir.

    Genler ve genomlar

    Genomik DNA, hücrenin mevcut küçük hacimlerine uyması için DNA yoğunlaştırma adı verilen süreçte sıkı ve düzenli bir şekilde paketlenir. Ökaryotlarda DNA, hücre çekirdeğinde bulunur, mitokondri ve kloroplastlarda az miktarda bulunur. Prokaryotlarda DNA, nükleoid adı verilen sitoplazmada düzensiz şekilli bir gövde içinde tutulur. [89] Bir genomdaki genetik bilgi genler içinde tutulur ve bir organizmadaki bu bilgilerin tamamına onun genotipi denir. Bir gen, bir kalıtım birimidir ve bir organizmadaki belirli bir özelliği etkileyen bir DNA bölgesidir. Genler, kopyalanabilen bir açık okuma çerçevesi ve açık okuma çerçevesinin transkripsiyonunu kontrol eden promotörler ve geliştiriciler gibi düzenleyici diziler içerir.

    Birçok türde, genomun toplam dizisinin sadece küçük bir kısmı proteini kodlar. Örneğin, insan genomunun sadece yaklaşık %1.5'i protein kodlayan ekzonlardan oluşurken, insan DNA'sının %50'den fazlası kodlama yapmayan tekrarlayan dizilerden oluşur. [90] Ökaryotik genomlarda bu kadar çok kodlanmayan DNA'nın varlığının nedenleri ve genom büyüklüğündeki olağanüstü farklılıklar veya C değeri, türler arasında "C-değeri bilmecesi" olarak bilinen uzun süredir devam eden bir bulmacayı temsil eder. [91] Bununla birlikte, protein kodlamayan bazı DNA dizileri, gen ekspresyonunun düzenlenmesinde yer alan fonksiyonel kodlamayan RNA moleküllerini hala kodlayabilir. [92]

    Bazı kodlamayan DNA dizileri, kromozomlarda yapısal roller oynar. Telomerler ve sentromerler tipik olarak birkaç gen içerir ancak kromozomların işlevi ve stabilitesi için önemlidir. [57] [94] İnsanlarda kodlanmayan DNA'nın bol bir formu, mutasyonla devre dışı bırakılmış genlerin kopyaları olan psödojenlerdir. [95] Bu diziler genellikle sadece moleküler fosillerdir, ancak bazen gen çoğaltma ve ayrışma süreci yoluyla yeni genlerin yaratılması için ham genetik materyal olarak hizmet edebilirler. [96]

    Transkripsiyon ve çeviri

    Gen, genetik bilgi içeren ve bir organizmanın fenotipini etkileyebilen bir DNA dizisidir. Bir gen içinde, bir DNA zinciri boyunca bazların dizisi, daha sonra bir veya daha fazla protein dizisini tanımlayan bir haberci RNA dizisini tanımlar. Genlerin nükleotid dizileri ile proteinlerin amino asit dizileri arasındaki ilişki, topluca genetik kod olarak bilinen çeviri kuralları tarafından belirlenir. Genetik kod adı verilen üç harfli 'kelimelerden' oluşur. kodonlar üç nükleotidden oluşan bir diziden oluşur (örneğin, ACT, CAG, TTT).

    Transkripsiyonda, bir genin kodonları, RNA polimeraz tarafından haberci RNA'ya kopyalanır. Bu RNA kopyası daha sonra, mesajcı RNA'yı amino asitleri taşıyan transfer RNA'ya baz eşleyerek RNA dizisini okuyan bir ribozom tarafından çözülür. 3 harfli kombinasyonlarda 4 baz olduğu için 64 olası kodon (4 3 kombinasyon) vardır. Bunlar, çoğu amino aside birden fazla olası kodon vererek yirmi standart amino asidi kodlar. Kodlama bölgesinin sonunu belirten üç "dur" veya "saçma" kodon da vardır, bunlar TAA, TGA ve TAG kodonlarıdır.

    Çoğaltma

    Hücre bölünmesi bir organizmanın büyümesi için gereklidir, ancak bir hücre bölündüğünde, iki yavru hücrenin ebeveynleriyle aynı genetik bilgiye sahip olması için genomunda DNA'yı kopyalaması gerekir. DNA'nın çift sarmallı yapısı, DNA replikasyonu için basit bir mekanizma sağlar. Burada iki iplik ayrılır ve daha sonra her bir ipliğin tamamlayıcı DNA dizisi, DNA polimeraz adı verilen bir enzim tarafından yeniden oluşturulur. Bu enzim, tamamlayıcı baz eşleşmesi yoluyla doğru bazı bularak ve orijinal zincire bağlayarak tamamlayıcı zinciri oluşturur. DNA polimerazlar bir DNA zincirini sadece 5' ila 3' yönünde uzatabildiklerinden, çift sarmalın antiparalel zincirlerini kopyalamak için farklı mekanizmalar kullanılır. [97] Bu şekilde, eski iplikteki baz, yeni iplikte hangi bazın görüneceğini belirler ve hücre, DNA'sının mükemmel bir kopyası ile sonuçlanır.

    Hücre dışı nükleik asitler

    Çoğu hücre ölümüyle salınan çıplak hücre dışı DNA (eDNA), çevrede neredeyse her yerde bulunur. Topraktaki konsantrasyonu 2 μg/L kadar yüksek olabilir ve doğal su ortamlarındaki konsantrasyonu 88 μg/L kadar yüksek olabilir. [98] eDNA için çeşitli olası işlevler önerilmiştir: yatay gen transferinde yer alabilir [99] besin sağlayabilir [100] ve iyonları veya antibiyotikleri toplamak veya titre etmek için bir tampon görevi görebilir. [101] Hücre dışı DNA, çeşitli bakteri türlerinin biyofilmlerinde işlevsel bir hücre dışı matris bileşeni olarak işlev görür. Biyofilmdeki belirli hücre tiplerinin bağlanmasını ve dağılmasını düzenlemek için bir tanıma faktörü olarak hareket edebilir [102], biyofilm oluşumuna katkıda bulunabilir [103] ve biyofilmin fiziksel gücüne ve biyolojik strese karşı direncine katkıda bulunabilir. [104]

    Hücresiz fetal DNA, annenin kanında bulunur ve gelişmekte olan fetüs hakkında birçok bilgiyi belirlemek için sıralanabilir. [105]

    Çevresel DNA adı altında, eDNA, doğa bilimlerinde ekoloji için bir araştırma aracı olarak, türlerin su, hava veya karadaki hareketlerini ve mevcudiyetini izleme ve bir bölgenin biyolojik çeşitliliğini değerlendirmede artan bir kullanım görmüştür. [106] [107]

    DNA'nın tüm işlevleri, proteinlerle etkileşime bağlıdır. Bu protein etkileşimleri spesifik olmayabilir veya protein spesifik olarak tek bir DNA dizisine bağlanabilir. Enzimler ayrıca DNA'ya da bağlanabilir ve bunlardan, transkripsiyon ve DNA replikasyonunda DNA baz dizisini kopyalayan polimerazlar özellikle önemlidir.

    DNA bağlayıcı proteinler

    DNA'yı bağlayan yapısal proteinler, spesifik olmayan DNA-protein etkileşimlerinin iyi anlaşılmış örnekleridir. Kromozomlar içinde DNA, yapısal proteinlerle kompleksler halinde tutulur. Bu proteinler, DNA'yı kromatin adı verilen kompakt bir yapı halinde düzenler. Ökaryotlarda bu yapı, DNA'nın histon adı verilen küçük bir temel protein kompleksine bağlanmasını içerirken, prokaryotlarda birden fazla protein türü söz konusudur. [108] [109] Histonlar, yüzeyinin etrafına sarılmış iki tam çift sarmal DNA turu içeren, nükleozom adı verilen disk şeklinde bir kompleks oluşturur. Bu spesifik olmayan etkileşimler, DNA'nın asidik şeker-fosfat omurgasına iyonik bağlar yaparak histonlardaki bazik kalıntılar aracılığıyla oluşturulur ve bu nedenle büyük ölçüde baz dizisinden bağımsızdır. [110] Bu bazik amino asit kalıntılarının kimyasal modifikasyonları arasında metilasyon, fosforilasyon ve asetilasyon yer alır. [111] Bu kimyasal değişiklikler, DNA ve histonlar arasındaki etkileşimin gücünü değiştirerek, DNA'yı transkripsiyon faktörlerine az çok erişilebilir hale getirir ve transkripsiyon hızını değiştirir. [112] Kromatindeki diğer spesifik olmayan DNA bağlayıcı proteinler, bükülmüş veya bozulmuş DNA'ya bağlanan yüksek hareketli grup proteinlerini içerir. [113] Bu proteinler, nükleozom dizilerini bükmede ve onları kromozomları oluşturan daha büyük yapılara yerleştirmede önemlidir. [114]

    Ayrı bir DNA bağlayıcı protein grubu, tek sarmallı DNA'yı spesifik olarak bağlayan DNA bağlayıcı proteinlerdir. İnsanlarda replikasyon proteini A, bu ailenin en iyi anlaşılan üyesidir ve DNA replikasyonu, rekombinasyon ve DNA onarımı dahil olmak üzere çift sarmalın ayrıldığı işlemlerde kullanılır. [115] Bu bağlayıcı proteinler, tek iplikli DNA'yı stabilize ediyor ve onu kök halkalar oluşturmaktan veya nükleazlar tarafından bozulmaktan koruyor gibi görünüyor.

    Buna karşılık, diğer proteinler belirli DNA dizilerine bağlanmak üzere evrimleşmişlerdir. Bunlardan en yoğun çalışılanı, transkripsiyonu düzenleyen proteinler olan çeşitli transkripsiyon faktörleridir. Her bir transkripsiyon faktörü, belirli bir DNA dizisi dizisine bağlanır ve bu dizileri promotörlerine yakın olan genlerin transkripsiyonunu aktive eder veya inhibe eder. Transkripsiyon faktörleri bunu iki şekilde yapar. İlk olarak, transkripsiyondan sorumlu RNA polimerazı ya doğrudan ya da diğer aracı proteinler aracılığıyla bağlayabilirler, bu da polimerazı promotörde konumlandırır ve transkripsiyona başlamasını sağlar. [117] Alternatif olarak, transkripsiyon faktörleri, promotördeki histonları değiştiren enzimleri bağlayabilir. Bu, DNA şablonunun polimeraza erişilebilirliğini değiştirir. [118]

    Bu DNA hedefleri bir organizmanın genomu boyunca meydana gelebileceğinden, bir tip transkripsiyon faktörünün aktivitesindeki değişiklikler binlerce geni etkileyebilir. [119] Sonuç olarak, bu proteinler genellikle çevresel değişikliklere veya hücresel farklılaşma ve gelişmeye verilen yanıtları kontrol eden sinyal iletim süreçlerinin hedefleridir. The specificity of these transcription factors' interactions with DNA come from the proteins making multiple contacts to the edges of the DNA bases, allowing them to "read" the DNA sequence. Most of these base-interactions are made in the major groove, where the bases are most accessible. [25]

    DNA-modifying enzymes

    Nucleases and ligases

    Nucleases are enzymes that cut DNA strands by catalyzing the hydrolysis of the phosphodiester bonds. Nucleases that hydrolyse nucleotides from the ends of DNA strands are called exonucleases, while endonucleases cut within strands. The most frequently used nucleases in molecular biology are the restriction endonucleases, which cut DNA at specific sequences. For instance, the EcoRV enzyme shown to the left recognizes the 6-base sequence 5′-GATATC-3′ and makes a cut at the horizontal line. In nature, these enzymes protect bacteria against phage infection by digesting the phage DNA when it enters the bacterial cell, acting as part of the restriction modification system. [121] In technology, these sequence-specific nucleases are used in molecular cloning and DNA fingerprinting.

    Enzymes called DNA ligases can rejoin cut or broken DNA strands. [122] Ligases are particularly important in lagging strand DNA replication, as they join together the short segments of DNA produced at the replication fork into a complete copy of the DNA template. They are also used in DNA repair and genetic recombination. [122]

    Topoisomerases and helicases

    Topoisomerases are enzymes with both nuclease and ligase activity. These proteins change the amount of supercoiling in DNA. Some of these enzymes work by cutting the DNA helix and allowing one section to rotate, thereby reducing its level of supercoiling the enzyme then seals the DNA break. [38] Other types of these enzymes are capable of cutting one DNA helix and then passing a second strand of DNA through this break, before rejoining the helix. [123] Topoisomerases are required for many processes involving DNA, such as DNA replication and transcription. [39]

    Helicases are proteins that are a type of molecular motor. They use the chemical energy in nucleoside triphosphates, predominantly adenosine triphosphate (ATP), to break hydrogen bonds between bases and unwind the DNA double helix into single strands. [124] These enzymes are essential for most processes where enzymes need to access the DNA bases.

    Polimerazlar

    Polymerases are enzymes that synthesize polynucleotide chains from nucleoside triphosphates. The sequence of their products is created based on existing polynucleotide chains—which are called templates. These enzymes function by repeatedly adding a nucleotide to the 3′ hydroxyl group at the end of the growing polynucleotide chain. As a consequence, all polymerases work in a 5′ to 3′ direction. [125] In the active site of these enzymes, the incoming nucleoside triphosphate base-pairs to the template: this allows polymerases to accurately synthesize the complementary strand of their template. Polymerases are classified according to the type of template that they use.

    In DNA replication, DNA-dependent DNA polymerases make copies of DNA polynucleotide chains. To preserve biological information, it is essential that the sequence of bases in each copy are precisely complementary to the sequence of bases in the template strand. Many DNA polymerases have a proofreading activity. Here, the polymerase recognizes the occasional mistakes in the synthesis reaction by the lack of base pairing between the mismatched nucleotides. If a mismatch is detected, a 3′ to 5′ exonuclease activity is activated and the incorrect base removed. [126] In most organisms, DNA polymerases function in a large complex called the replisome that contains multiple accessory subunits, such as the DNA clamp or helicases. [127]

    RNA-dependent DNA polymerases are a specialized class of polymerases that copy the sequence of an RNA strand into DNA. They include reverse transcriptase, which is a viral enzyme involved in the infection of cells by retroviruses, and telomerase, which is required for the replication of telomeres. [56] [128] For example, HIV reverse transcriptase is an enzyme for AIDS virus replication. [128] Telomerase is an unusual polymerase because it contains its own RNA template as part of its structure. It synthesizes telomeres at the ends of chromosomes. Telomeres prevent fusion of the ends of neighboring chromosomes and protect chromosome ends from damage. [57]

    Transcription is carried out by a DNA-dependent RNA polymerase that copies the sequence of a DNA strand into RNA. To begin transcribing a gene, the RNA polymerase binds to a sequence of DNA called a promoter and separates the DNA strands. It then copies the gene sequence into a messenger RNA transcript until it reaches a region of DNA called the terminator, where it halts and detaches from the DNA. As with human DNA-dependent DNA polymerases, RNA polymerase II, the enzyme that transcribes most of the genes in the human genome, operates as part of a large protein complex with multiple regulatory and accessory subunits. [129]

    A DNA helix usually does not interact with other segments of DNA, and in human cells, the different chromosomes even occupy separate areas in the nucleus called "chromosome territories". [131] This physical separation of different chromosomes is important for the ability of DNA to function as a stable repository for information, as one of the few times chromosomes interact is in chromosomal crossover which occurs during sexual reproduction, when genetic recombination occurs. Chromosomal crossover is when two DNA helices break, swap a section and then rejoin.

    Recombination allows chromosomes to exchange genetic information and produces new combinations of genes, which increases the efficiency of natural selection and can be important in the rapid evolution of new proteins. [132] Genetic recombination can also be involved in DNA repair, particularly in the cell's response to double-strand breaks. [133]

    The most common form of chromosomal crossover is homologous recombination, where the two chromosomes involved share very similar sequences. Non-homologous recombination can be damaging to cells, as it can produce chromosomal translocations and genetic abnormalities. The recombination reaction is catalyzed by enzymes known as recombinases, such as RAD51. [134] The first step in recombination is a double-stranded break caused by either an endonuclease or damage to the DNA. [135] A series of steps catalyzed in part by the recombinase then leads to joining of the two helices by at least one Holliday junction, in which a segment of a single strand in each helix is annealed to the complementary strand in the other helix. The Holliday junction is a tetrahedral junction structure that can be moved along the pair of chromosomes, swapping one strand for another. The recombination reaction is then halted by cleavage of the junction and re-ligation of the released DNA. [136] Only strands of like polarity exchange DNA during recombination. There are two types of cleavage: east-west cleavage and north–south cleavage. The north–south cleavage nicks both strands of DNA, while the east–west cleavage has one strand of DNA intact. The formation of a Holliday junction during recombination makes it possible for genetic diversity, genes to exchange on chromosomes, and expression of wild-type viral genomes.

    DNA contains the genetic information that allows all forms of life to function, grow and reproduce. However, it is unclear how long in the 4-billion-year history of life DNA has performed this function, as it has been proposed that the earliest forms of life may have used RNA as their genetic material. [137] [138] RNA may have acted as the central part of early cell metabolism as it can both transmit genetic information and carry out catalysis as part of ribozymes. [139] This ancient RNA world where nucleic acid would have been used for both catalysis and genetics may have influenced the evolution of the current genetic code based on four nucleotide bases. This would occur, since the number of different bases in such an organism is a trade-off between a small number of bases increasing replication accuracy and a large number of bases increasing the catalytic efficiency of ribozymes. [140] However, there is no direct evidence of ancient genetic systems, as recovery of DNA from most fossils is impossible because DNA survives in the environment for less than one million years, and slowly degrades into short fragments in solution. [141] Claims for older DNA have been made, most notably a report of the isolation of a viable bacterium from a salt crystal 250 million years old, [142] but these claims are controversial. [143] [144]

    Building blocks of DNA (adenine, guanine, and related organic molecules) may have been formed extraterrestrially in outer space. [145] [146] [147] Complex DNA and RNA organic compounds of life, including uracil, cytosine, and thymine, have also been formed in the laboratory under conditions mimicking those found in outer space, using starting chemicals, such as pyrimidine, found in meteorites. Pyrimidine, like polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), the most carbon-rich chemical found in the universe, may have been formed in red giants or in interstellar cosmic dust and gas clouds. [148]

    In February 2021, scientists reported, for the first time, the sequencing of DNA from animal remains, a mammoth in this instance over a million years old, the oldest DNA sequenced to date. [149] [150]

    Genetik mühendisliği

    Methods have been developed to purify DNA from organisms, such as phenol-chloroform extraction, and to manipulate it in the laboratory, such as restriction digests and the polymerase chain reaction. Modern biology and biochemistry make intensive use of these techniques in recombinant DNA technology. Recombinant DNA is a man-made DNA sequence that has been assembled from other DNA sequences. They can be transformed into organisms in the form of plasmids or in the appropriate format, by using a viral vector. [151] The genetically modified organisms produced can be used to produce products such as recombinant proteins, used in medical research, [152] or be grown in agriculture. [153] [154]

    DNA profili oluşturma

    Forensic scientists can use DNA in blood, semen, skin, saliva or hair found at a crime scene to identify a matching DNA of an individual, such as a perpetrator. [155] This process is formally termed DNA profiling, also called DNA fingerprinting. In DNA profiling, the lengths of variable sections of repetitive DNA, such as short tandem repeats and minisatellites, are compared between people. This method is usually an extremely reliable technique for identifying a matching DNA. [156] However, identification can be complicated if the scene is contaminated with DNA from several people. [157] DNA profiling was developed in 1984 by British geneticist Sir Alec Jeffreys, [158] and first used in forensic science to convict Colin Pitchfork in the 1988 Enderby murders case. [159]

    The development of forensic science and the ability to now obtain genetic matching on minute samples of blood, skin, saliva, or hair has led to re-examining many cases. Evidence can now be uncovered that was scientifically impossible at the time of the original examination. Combined with the removal of the double jeopardy law in some places, this can allow cases to be reopened where prior trials have failed to produce sufficient evidence to convince a jury. People charged with serious crimes may be required to provide a sample of DNA for matching purposes. The most obvious defense to DNA matches obtained forensically is to claim that cross-contamination of evidence has occurred. This has resulted in meticulous strict handling procedures with new cases of serious crime.

    DNA profiling is also used successfully to positively identify victims of mass casualty incidents, [160] bodies or body parts in serious accidents, and individual victims in mass war graves, via matching to family members.

    DNA profiling is also used in DNA paternity testing to determine if someone is the biological parent or grandparent of a child with the probability of parentage is typically 99.99% when the alleged parent is biologically related to the child. Normal DNA sequencing methods happen after birth, but there are new methods to test paternity while a mother is still pregnant. [161]

    DNA enzymes or catalytic DNA

    Deoxyribozymes, also called DNAzymes or catalytic DNA, were first discovered in 1994. [162] They are mostly single stranded DNA sequences isolated from a large pool of random DNA sequences through a combinatorial approach called in vitro selection or systematic evolution of ligands by exponential enrichment (SELEX). DNAzymes catalyze variety of chemical reactions including RNA-DNA cleavage, RNA-DNA ligation, amino acids phosphorylation-dephosphorylation, carbon-carbon bond formation, etc. DNAzymes can enhance catalytic rate of chemical reactions up to 100,000,000,000-fold over the uncatalyzed reaction. [163] The most extensively studied class of DNAzymes is RNA-cleaving types which have been used to detect different metal ions and designing therapeutic agents. Several metal-specific DNAzymes have been reported including the GR-5 DNAzyme (lead-specific), [162] the CA1-3 DNAzymes (copper-specific), [164] the 39E DNAzyme (uranyl-specific) and the NaA43 DNAzyme (sodium-specific). [165] The NaA43 DNAzyme, which is reported to be more than 10,000-fold selective for sodium over other metal ions, was used to make a real-time sodium sensor in cells.

    Biyoinformatik

    Bioinformatics involves the development of techniques to store, data mine, search and manipulate biological data, including DNA nucleic acid sequence data. These have led to widely applied advances in computer science, especially string searching algorithms, machine learning, and database theory. [166] String searching or matching algorithms, which find an occurrence of a sequence of letters inside a larger sequence of letters, were developed to search for specific sequences of nucleotides. [167] The DNA sequence may be aligned with other DNA sequences to identify homologous sequences and locate the specific mutations that make them distinct. These techniques, especially multiple sequence alignment, are used in studying phylogenetic relationships and protein function. [168] Data sets representing entire genomes' worth of DNA sequences, such as those produced by the Human Genome Project, are difficult to use without the annotations that identify the locations of genes and regulatory elements on each chromosome. Regions of DNA sequence that have the characteristic patterns associated with protein- or RNA-coding genes can be identified by gene finding algorithms, which allow researchers to predict the presence of particular gene products and their possible functions in an organism even before they have been isolated experimentally. [169] Entire genomes may also be compared, which can shed light on the evolutionary history of particular organism and permit the examination of complex evolutionary events.

    DNA nanotechnology

    DNA nanotechnology uses the unique molecular recognition properties of DNA and other nucleic acids to create self-assembling branched DNA complexes with useful properties. [170] DNA is thus used as a structural material rather than as a carrier of biological information. This has led to the creation of two-dimensional periodic lattices (both tile-based and using the DNA origami method) and three-dimensional structures in the shapes of polyhedra. [171] Nanomechanical devices and algorithmic self-assembly have also been demonstrated, [172] and these DNA structures have been used to template the arrangement of other molecules such as gold nanoparticles and streptavidin proteins. [173]

    History and anthropology

    Because DNA collects mutations over time, which are then inherited, it contains historical information, and, by comparing DNA sequences, geneticists can infer the evolutionary history of organisms, their phylogeny. [174] This field of phylogenetics is a powerful tool in evolutionary biology. If DNA sequences within a species are compared, population geneticists can learn the history of particular populations. This can be used in studies ranging from ecological genetics to anthropology.

    Information storage

    DNA as a storage device for information has enormous potential since it has much higher storage density compared to electronic devices. However, high costs, slow read and write times (memory latency), and insufficient reliability has prevented its practical use. [175] [176]

    DNA was first isolated by the Swiss physician Friedrich Miescher who, in 1869, discovered a microscopic substance in the pus of discarded surgical bandages. As it resided in the nuclei of cells, he called it "nuclein". [177] [178] In 1878, Albrecht Kossel isolated the non-protein component of "nuclein", nucleic acid, and later isolated its five primary nucleobases. [179] [180]

    In 1909, Phoebus Levene identified the base, sugar, and phosphate nucleotide unit of the RNA (then named "yeast nucleic acid"). [181] [182] [183] In 1929, Levene identified deoxyribose sugar in "thymus nucleic acid" (DNA). [184] Levene suggested that DNA consisted of a string of four nucleotide units linked together through the phosphate groups ("tetranucleotide hypothesis"). Levene thought the chain was short and the bases repeated in a fixed order. In 1927, Nikolai Koltsov proposed that inherited traits would be inherited via a "giant hereditary molecule" made up of "two mirror strands that would replicate in a semi-conservative fashion using each strand as a template". [185] [186] In 1928, Frederick Griffith in his experiment discovered that traits of the "smooth" form of Pneumococcus could be transferred to the "rough" form of the same bacteria by mixing killed "smooth" bacteria with the live "rough" form. [187] [188] This system provided the first clear suggestion that DNA carries genetic information.

    In 1933, while studying virgin sea urchin eggs, Jean Brachet suggested that DNA is found in the cell nucleus and that RNA is present exclusively in the cytoplasm. At the time, "yeast nucleic acid" (RNA) was thought to occur only in plants, while "thymus nucleic acid" (DNA) only in animals. The latter was thought to be a tetramer, with the function of buffering cellular pH. [189] [190]

    In 1937, William Astbury produced the first X-ray diffraction patterns that showed that DNA had a regular structure. [191]

    In 1943, Oswald Avery, along with co-workers Colin MacLeod and Maclyn McCarty, identified DNA as the transforming principle, supporting Griffith's suggestion (Avery–MacLeod–McCarty experiment). [192] Late in 1951, Francis Crick started working with James Watson at the Cavendish Laboratory within the University of Cambridge. DNA's role in heredity was confirmed in 1952 when Alfred Hershey and Martha Chase in the Hershey–Chase experiment showed that DNA is the genetic material of the enterobacteria phage T2. [193]

    In May 1952, Raymond Gosling, a graduate student working under the supervision of Rosalind Franklin, took an X-ray diffraction image, labeled as "Photo 51", [194] at high hydration levels of DNA. This photo was given to Watson and Crick by Maurice Wilkins and was critical to their obtaining the correct structure of DNA. Franklin told Crick and Watson that the backbones had to be on the outside. Before then, Linus Pauling, and Watson and Crick, had erroneous models with the chains inside and the bases pointing outwards. Her identification of the space group for DNA crystals revealed to Crick that the two DNA strands were antiparallel. [195]

    In February 1953, Linus Pauling and Robert Corey proposed a model for nucleic acids containing three intertwined chains, with the phosphates near the axis, and the bases on the outside. [196] Watson and Crick completed their model, which is now accepted as the first correct model of the double-helix of DNA. On 28 February 1953 Crick interrupted patrons' lunchtime at The Eagle pub in Cambridge to announce that he and Watson had "discovered the secret of life". [197]

    The 25 April 1953 issue of the journal Doğa published a series of five articles giving the Watson and Crick double-helix structure DNA and evidence supporting it. [198] The structure was reported in a letter titled "MOLECULAR STRUCTURE OF NUCLEIC ACIDS A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid", in which they said, "It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material." [9] This letter was followed by a letter from Franklin and Gosling, which was the first publication of their own X-ray diffraction data and of their original analysis method. [42] [199] Then followed a letter by Wilkins and two of his colleagues, which contained an analysis of canlıda B-DNA X-ray patterns, and which supported the presence canlıda of the Watson and Crick structure. [43]

    In 1962, after Franklin's death, Watson, Crick, and Wilkins jointly received the Nobel Prize in Physiology or Medicine. [200] Nobel Prizes are awarded only to living recipients. A debate continues about who should receive credit for the discovery. [201]

    In an influential presentation in 1957, Crick laid out the central dogma of molecular biology, which foretold the relationship between DNA, RNA, and proteins, and articulated the "adaptor hypothesis". [202] Final confirmation of the replication mechanism that was implied by the double-helical structure followed in 1958 through the Meselson–Stahl experiment. [203] Further work by Crick and co-workers showed that the genetic code was based on non-overlapping triplets of bases, called codons, allowing Har Gobind Khorana, Robert W. Holley, and Marshall Warren Nirenberg to decipher the genetic code. [204] These findings represent the birth of molecular biology. [205]


    (CTRs). Regions of the chromatin containing one or more adjacent replication domains that are replicating at nearly the same time.

    Units of replication comprising a replication origin and the DNA being replicated.

    Timing transition regions

    (TTRs). Regions of the chromatin between two replications domains replicating at different times.

    Complexes comprising template DNA, oligonucleotide primers and proteins necessary for DNA replication. Two ‘sister’ replication forks are assembled at each replication origin and may be associated in 3D space.

    Stalling of replication forks, which can be caused by chemical interference or radiation, or can be the result of a lack of nucleotides or proteins necessary for DNA replication.

    (MMR). DNA repair mechanism occurring at the replication fork involved in the repair of base mismatch and small insertions/deletions occurring during DNA replication or recombination.

    A genome-wide chromatin conformation capture technology that uses chromatin digestion, re-ligation of sequences in close proximity and sequencing to identify chromatin pairwise 3D chromatin interactions in the nucleus.

    Principal component analysis

    (PCA). Mathematical transformation applied on complex (with multiple variables) datasets, to extract values describing the data called PC1, PC2 and so forth, with PC1 the value best describing the data.

    Long non-coding RNA that is expressed in female cells from only one X chromosome. Xist inactivates the X chromosome from which it is expressed, enabling dosage compensation (similar X-linked gene expression levels in male and female cells).

    Asynchronous replication and autosomal RNAs

    (ASARs). Long non-coding RNAs that are essential for the timely replication and condensation of the entire chromosome from which they are expressed.

    (LADs). Domains of chromatin that come in close proximity to the nuclear lamina.

    Domains between two adjacent lamina-associated domains.

    Topologically associated domains

    (TADs). Domains of chromatin enriched for 3D interactions within the domain as compared with between domains.

    Correlative live and super-resolution microscopy

    Combines the temporal resolution of time-lapse fluorescence microscopy with the spatial resolution of super-resolution microscopy.

    (CTCF). Protein highly conserved in eukaryotes that associates with chromatin to mediate transcription and chromatin insulation.

    Protein complex composed of SMC1 and SMC3 that forms a large ring structure that accommodates two strands of chromatin. Cohesin has a key architectural role, forming chromatin loops and maintaining sister chromatids tied together after DNA replication.

    Early replication control elements

    (ERCEs). DNA sequences necessary for the early replication of entire replication domains.

    Chromatin region rich in enhancers, with a high level of transcription associated factors and acetylated histones.

    Chromatin conformation capture

    Technologies that assess 3D interactions within chromatin. These technologies are based on the cutting and re-ligation of chromatin immobilized in intact nuclei and identification of pairwise interactions by quantitative PCR or sequencing.

    Zygotic genome activation

    (ZGA). Stage of embryonic development at which the transcription of the zygotic genome becomes activated.

    Genes that are expressed only from one chromosome homologue, the choice of which is dependent on its parental origin. The mechanism behind genomic imprinting relies on DNA methylation.

    A megabase-sized locus containing the β-globin gene, which is expressed only in erythroid cells. DNA replication properties of this domain have been extensively studied as it replicates early in erythroid cells and late in other cell types.

    (rDNA). Part of the genome coding for ribosomal RNA. rDNA is constituted of several copies of the same genes, the expression of each varying depending on cell type.

    Insertions or deletions in the genome of a cell or an individual.

    Long interspersed nuclear element 1

    (LINE1). Class of transposable elements estimated to be present at around 500,000 copies in the human and mouse genomes.


    Mutated form of DNA repair protein may shed light on its role in preventing cancer

    Two trillion times each day, the cells in a typical human divide to replace old, damaged or dead cells. Before a cell divides, though, it makes an exact copy of its DNA, which will be passed on to the new cells.

    To start the copying process, the DNA double helix unwinds so each strand can serve as a template for the new DNA. Scientists refer to the unwound DNA as a replication fork because the two strands resemble a two-tined fork. As this highly complex replication process progresses, the two strands of the original DNA can break or be damaged thousands of times.

    "They're actually a pretty big assault on the cell, which is why the cells have elaborate mechanisms to make sure the replication process is protected."

    Emerging evidence indicates that a pathway to repair DNA breaks, known as homologous recombination (HR), has additional break-independent roles at stalled replication forks. A key factor in HR is a protein called RAD51, which binds to the single DNA strand at the broken end and backs up the forks by converting them into a structure that resembles a chicken foot -- a process known as fork regression.

    In a recent study, Mason created a mutated version of RAD51 to better understand its critical functions at stalled replication forks.

    "We made a recombination-defective RAD51 variant that can still bind DNA, but it cannot search for the intact copy of DNA or perform strand exchange," Mason said. "The more we understand the process, the more likely we are to figure out how it goes wrong in cancer and we can help with improved treatment strategies down the road."

    In her study, which was recently published online in Doğa İletişimi, Mason discovered RAD51's strand exchange activity is not required for fork regression, but is important to restart replication once the obstacle has been removed.

    "The field wants to figure out what role this pathway has in cancer and what each of the players are doing," Mason said. "This study provides a missing piece in a very big puzzle that we are still trying to figure out."

    In the short term, Mason said, other scientists in the cancer biology field can apply the mutated RAD51 gene to their own research to help unravel the replication process further and better understand how breaks are repaired.

    Mason's co-author on the paper is Douglas Bishop, a faculty member at the University of Chicago and Mason's former post-doctoral research adviser.


    Typical DNA replication times - Biology

    DNA replication initiation in eukaryotic cells is mediated by a complex system, but its spatiotemporal regulation remains poorly understood.

    While factors that promote replication are typically invoked to explain initiation patterns, evidence is accumulating for the involvement of a variety of repressive factors as well.

    Combinations of repressive histone modifications may function in synergistic ways to promote site-specific replication initiation, possibly through the activity of histone mark erasers.

    Considering both activation and repression as central to replication initiation could have important implications for the interpretation of DNA replication biology.

    Genomic DNA is replicated every cell cycle by the programmed activation of replication origins at specific times and chromosomal locations. The factors that define the locations of replication origins and their typical activation times in eukaryotic cells are poorly understood. Previous studies highlighted the role of activating factors and epigenetic modifications in regulating replication initiation. Here, we review the role that repressive pathways – and their alleviation – play in establishing the genomic landscape of replication initiation. Several factors mediate this repression, in particular, factors associated with inactive chromatin. Repression can support organized, yet stochastic, replication initiation, and its absence could explain instances of rapid and random replication or re-replication.


    Independent and Stochastic Action of DNA Polymerases in the Replisome

    It has been assumed that DNA synthesis by the leading- and lagging-strand polymerases in the replisome must be coordinated to avoid the formation of significant gaps in the nascent strands. Using real-time single-molecule analysis, we establish that leading- and lagging-strand DNA polymerases function independently within a single replisome. Although average rates of DNA synthesis on leading and lagging strands are similar, individual trajectories of both DNA polymerases display stochastically switchable rates of synthesis interspersed with distinct pauses. DNA unwinding by the replicative helicase may continue during such pauses, but a self-governing mechanism, where helicase speed is reduced by ∼80%, permits recoupling of polymerase to helicase. These features imply a more dynamic, kinetically discontinuous replication process, wherein contacts within the replisome are continually broken and reformed. We conclude that the stochastic behavior of replisome components ensures complete DNA duplication without requiring coordination of leading- and lagging-strand synthesis. PAPERCLIP.

    Anahtar Kelimeler: DNA polymerase DNA replication replication fork coordination replication fork progression single-molecule analysis.

    Copyright © 2017 Elsevier Inc. All rights reserved.

    Rakamlar

    Figure 1. Visualizing leading- and lagging-strand synthesis…

    Figure 1. Visualizing leading- and lagging-strand synthesis using a rolling-circle single-molecule assay

    180 s from start three extending molecules identified. Scale bar: 10 μm, equal to 37.0 kb dsDNA at 2,500 μl/h (Figure S1). E. Time-lapse of three replicating molecules from NS, showing synthesis with time. F. Kymographs of molecules from NS, showing linear fits to trajectories yielding average rates of replication fork progression. Arrowheads: non-replicating substrates. G. Histogram of replication rates mean rate, 470 ± 180 bp•s −1 (molecules, n=84), from Gaussian fit.

    Figure 2. Individual replication fork progression is…

    Figure 2. Individual replication fork progression is independent of primase

    Figure 3. Leading-strand polymerization is kinetically discontinuous

    Figure 3. Leading-strand polymerization is kinetically discontinuous

    15 s r 2 =0.96), ignoring the under-sampled first bin. n, trajectories = 100.

    Figure 4. Leading- and lagging-strand polymerases function…

    Figure 4. Leading- and lagging-strand polymerases function autonomously

    Figure 5. Visualization of Okazaki fragment termini…

    Figure 5. Visualization of Okazaki fragment termini shows a direct relationship between primase concentration and…

    Figure 6. Lagging-strand synthesis occurs at the…

    Figure 6. Lagging-strand synthesis occurs at the same burst rate and processivity as leading-strand synthesis


    DNA copy-number measurement of genome replication dynamics by high-throughput sequencing: the sort-seq, sync-seq and MFA-seq family

    Genome replication follows a defined temporal programme that can change during cellular differentiation and disease onset. DNA replication results in an increase in DNA copy number that can be measured by high-throughput sequencing. Here we present a protocol to determine genome replication dynamics using DNA copy-number measurements. Cell populations can be obtained in three variants of the method. First, sort-seq reveals the average replication dynamics across S phase in an unperturbed cell population FACS is used to isolate replicating and non-replicating subpopulations from asynchronous cells. Second, sync-seq measures absolute replication time at specific points during S phase using a synchronized cell population. Third, marker frequency analysis can be used to reveal the average replication dynamics using copy-number analysis in any proliferating asynchronous cell culture. These approaches have been used to reveal genome replication dynamics in prokaryotes, archaea and a wide range of eukaryotes, including yeasts and mammalian cells. We have found this approach straightforward to apply to other organisms and highlight example studies from across the three domains of life. Here we present a Saccharomyces cerevisiae version of the protocol that can be performed in 7-10 d. It requires basic molecular and cellular biology skills, as well as a basic understanding of Unix and R.


    Videoyu izle: Aleyna Tilki Lise Zamanlarından Esinti! (Mayıs Ayı 2022).