Pin
Send
Share
Send


Bovenaan een GC basepaar met drie waterstofbruggen. Aan de onderkant, OP basepaar met twee waterstofbruggen. Waterstofbindingen worden weergegeven als stippellijnen.

Elk type base op één streng vormt een binding met slechts één type base op de andere streng. Dit wordt complementaire basisparing genoemd. Hier vormen purines waterstofbindingen met pyrimidines, met alleen A-binding aan T en C-binding alleen aan G. Deze opstelling van twee nucleotiden die aan elkaar binden over de dubbele helix wordt een basenpaar genoemd. In een dubbele helix worden de twee strengen ook bij elkaar gehouden via krachten die worden gegenereerd door het hydrofobe effect en pi-stapeling, die niet worden beïnvloed door de sequentie van het DNA.25 Omdat waterstofbruggen niet covalent zijn, kunnen ze worden verbroken en relatief gemakkelijk weer worden verenigd. De twee DNA-strengen in een dubbele helix kunnen daarom als een ritssluiting uit elkaar worden getrokken, hetzij door een mechanische kracht of door hoge temperatuur.26 Als gevolg van deze complementariteit wordt alle informatie in de dubbelstrengs sequentie van een DNA-helix op elke streng gedupliceerd, wat van vitaal belang is bij DNA-replicatie. Deze omkeerbare en specifieke interactie tussen complementaire basenparen is inderdaad cruciaal voor alle functies van DNA in levende organismen.14

De twee soorten basenparen vormen verschillende aantallen waterstofbindingen, AT vormt twee waterstofbindingen en GC vormt drie waterstofbindingen (zie afbeeldingen links). Het GC-basispaar is daarom sterker dan het AT-basispaar. Als een resultaat is het zowel het percentage GC-basenparen als de totale lengte van een dubbele DNA-helix die de sterkte van de associatie tussen de twee DNA-strengen bepalen. Lange DNA-helices met een hoog GC-gehalte hebben sterker wisselwerkende strengen, terwijl korte helices met een hoog AT-gehalte zwakker wisselwerkende strengen hebben.27 Delen van de dubbele DNA-helix die gemakkelijk moeten worden gescheiden, zoals de TATAAT Pribnow-box in bacteriepromoters, hebben vaak sequenties met een hoog AT-gehalte, waardoor de strengen gemakkelijker uit elkaar te trekken zijn.28 In het laboratorium kan de sterkte van deze interactie worden gemeten door de vereiste temperatuur te vinden om de waterstofbruggen te verbreken, hun smelttemperatuur (ook wel Tm waarde). Wanneer alle basenparen in een dubbele DNA-helix smelten, worden de strengen gescheiden en bestaan ​​ze in oplossing als twee volledig onafhankelijke moleculen. Deze enkelstrengige DNA-moleculen hebben geen enkele gemeenschappelijke vorm, maar sommige conformaties zijn stabieler dan andere.29

Zin en antisense

Een DNA-sequentie wordt "sense" genoemd als de sequentie ervan dezelfde is als die van een messenger-RNA-kopie die in eiwit wordt vertaald. De sequentie op de tegenoverliggende streng is complementair aan de sense-sequentie en wordt daarom de "antisense" -sequentie genoemd. Aangezien RNA-polymerasen werken door een complementaire kopie van hun sjablonen te maken, is het deze antisense streng die de sjabloon is voor het produceren van het sense messenger RNA. Zowel sense- als antisense-sequenties kunnen op verschillende delen van dezelfde DNA-streng voorkomen (dat wil zeggen dat beide strengen zowel sense- als antisense-sequenties bevatten).

In zowel prokaryoten als eukaryoten worden antisense RNA-sequenties geproduceerd, maar de functies van deze RNA's zijn niet helemaal duidelijk.30 Een voorstel is dat antisense RNA's betrokken zijn bij het reguleren van genexpressie door middel van RNA-RNA-baseparing.31

Een paar DNA-sequenties in prokaryoten en eukaryoten, en meer in plasmiden en virussen, vervagen het hierboven gemaakte onderscheid tussen sense- en antisense-strengen door overlappende genen.32 In deze gevallen hebben sommige DNA-sequenties een dubbele taak, die coderen voor één eiwit wanneer ze 5 'tot 3' langs een streng lezen en een tweede eiwit als ze in de tegenovergestelde richting (nog steeds 5 'tot 3') langs de andere streng worden gelezen. Bij bacteriën kan deze overlapping betrokken zijn bij de regulatie van gentranscriptie,33 terwijl in virussen overlappende genen de hoeveelheid informatie verhogen die kan worden gecodeerd in het kleine virale genoom.34 Een andere manier om genoomgrootte te verkleinen wordt gezien bij sommige virussen die lineair of circulair enkelstrengs DNA als hun genetisch materiaal bevatten.3536

Supercoiling

DNA kan worden gedraaid als een touw in een proces dat DNA-supercoiling wordt genoemd. Met DNA in zijn "ontspannen" toestand, draait een streng gewoonlijk om de 10,4 basenparen om de as van de dubbele helix, maar als het DNA wordt gedraaid, worden de strengen strakker of losser gewonden.37 Als het DNA in de richting van de helix wordt gedraaid, is dit positieve supercoiling en worden de bases nauwer samengehouden. Als ze in de tegenovergestelde richting worden gedraaid, is dit negatieve supercoiling en komen de bases gemakkelijker uit elkaar.

In de natuur heeft het meeste DNA een lichte negatieve supercoiling die wordt geïntroduceerd door enzymen die topoisomerasen worden genoemd.38 Deze enzymen zijn ook nodig om de draaiende spanningen te verlichten die in DNA-strengen worden geïntroduceerd tijdens processen zoals transcriptie en DNA-replicatie.39

Van links naar rechts, de structuren van A, B en Z DNA

Alternatieve dubbel-helixstructuren

DNA bestaat in verschillende mogelijke conformaties. De tot nu toe geïdentificeerde conformaties zijn: A-DNA, B-DNA, C-DNA, D-DNA,40 E-DNA,41 H-DNA,42 L-DNA,40 P-DNA,43 en Z-DNA.2044 In natuurlijk voorkomende biologische systemen zijn echter alleen A-DNA, B-DNA en Z-DNA waargenomen.

Welk conformatie-DNA aanneemt hangt af van de volgorde van het DNA, de hoeveelheid en richting van supercoiling, chemische modificaties van de basen en ook oplossingscondities, zoals de concentratie van metaalionen en polyamines.45 Van deze drie conformaties is de hierboven beschreven "B" -vorm het meest gebruikelijk onder de omstandigheden die in cellen worden gevonden.46 De twee alternatieve dubbel-helix vormen van DNA verschillen in hun geometrie en afmetingen.

De A-vorm is een bredere rechtshandige spiraal, met een ondiepe, brede kleine groef en een smallere, diepere grote groef. De A-vorm komt voor onder niet-fysiologische omstandigheden in gedehydrateerde DNA-monsters, terwijl het in de cel kan worden geproduceerd in hybride paren van DNA- en RNA-strengen, evenals in enzym-DNA-complexen.4748 DNA-segmenten waarbij de basen chemisch zijn gemodificeerd door methylering kunnen een grotere verandering in conformatie ondergaan en de Z-vorm aannemen. Hier draaien de strengen om de spiraalvormige as in een linkshandige spiraal, het tegenovergestelde van de meer gebruikelijke B-vorm.49 Deze ongebruikelijke structuren kunnen worden herkend door specifieke Z-DNA bindende eiwitten en kunnen betrokken zijn bij de regulatie van transcriptie.50

Structuur van een DNA-quadruplex gevormd door telomeerherhalingen. De conformatie van het DNA-skelet verschilt aanzienlijk van de typische spiraalvormige structuur.

Quadruplex-structuren

Aan de uiteinden van de lineaire chromosomen bevinden zich gespecialiseerde DNA-gebieden die telomeren worden genoemd. De belangrijkste functie van deze regio's is om de cel chromosoomuiteinden te laten repliceren met behulp van het enzym telomerase, omdat de enzymen die normaal DNA repliceren de extreme 3'-uiteinden van chromosomen niet kunnen kopiëren.51 Als een chromosoom telomeren ontbrak, zou het bij elke replicatie korter worden. Deze gespecialiseerde chromosoomkapjes helpen ook de DNA-uiteinden te beschermen tegen exonucleasen en voorkomen dat de DNA-reparatiesystemen in de cel deze behandelen als te corrigeren schade.52 In menselijke cellen zijn telomeren meestal lengten van enkelstrengs DNA dat enkele duizenden herhalingen van een eenvoudige TTAGGG-sequentie bevat.53

Deze guaninerijke sequenties kunnen chromosoomuiteinden stabiliseren door zeer ongebruikelijke structuren van gestapelde sets van vier-base-eenheden te vormen, in plaats van de gebruikelijke basenparen die in andere DNA-moleculen worden gevonden. Hier vormen vier guaninebases een vlakke plaat en deze platte eenheden met vier basen stapelen zich vervolgens op elkaar om een ​​stabiele G-quadruplex structuur.54 Deze structuren worden gestabiliseerd door waterstofbinding tussen de randen van de basen en chelatie van een metaalion in het midden van elke eenheid met vier basen. De structuur links is een bovenaanzicht van de quadruplex gevormd door een DNA-sequentie gevonden in herhalingen van menselijke telomeren. De enkele DNA-streng vormt een lus, met de sets van vier basen die in een centrale quadruplex drie platen diep worden gestapeld. In de ruimte in het midden van de gestapelde basen bevinden zich drie gechelateerde kaliumionen.55 Andere structuren kunnen ook worden gevormd, waarbij het centrale stel van vier basen afkomstig is van ofwel een enkele streng gevouwen rond de basen, of verschillende parallelle strengen, die elk één basis bijdragen aan de centrale structuur.

Naast deze gestapelde structuren vormen telomeren ook grote lusstructuren die telomeerlussen of T-lussen worden genoemd. Hier krult het enkelstrengige DNA rond in een lange cirkel gestabiliseerd door telomeer-bindende eiwitten.56 Helemaal aan het einde van de T-lus wordt het enkelstrengige telomeer-DNA vastgehouden op een gebied van dubbelstrengs DNA door de telomeerstreng die het dubbel-helix-DNA en basenparen naar een van de twee strengen onderbreekt. Deze driestrengige structuur wordt een verplaatsingslus of D-lus genoemd.54

Chemische modificaties

cytosine5-methylcytosinethymine Structuur van cytosine met en zonder de 5-methylgroep. Na deaminatie heeft het 5-methylcytosine dezelfde structuur als thymine

Base wijzigingen

De expressie van genen wordt beïnvloed door de chromatinestructuur van een chromosoom en regio's van heterochromatin (lage of geen genexpressie) correleren met de methylatie van cytosine. Bijvoorbeeld, cytosinemethylering, om 5-methylcytosine te produceren, is belangrijk voor X-chromosoominactivatie.57 Het gemiddelde methyleringsniveau varieert tussen organismen, met Caenorhabditis elegans zonder cytosinemethylering, terwijl gewervelde dieren hogere niveaus vertonen, waarbij tot 1% van hun DNA 5-methylcytosine bevat.58 Ondanks de biologische rol van 5-methylcytosine is het gevoelig voor spontane deaminatie om de thyminebase te verlaten en gemethyleerde cytosines zijn daarom mutatie hotspots.59 Andere basismodificaties omvatten adeninemethylering in bacteriën en de glycosylering van uracil om de "J-base" in kinetoplastiden te produceren.6061

DNA-schade

Nadere informatie: Mutatie
Benzopyreen, het belangrijkste mutageen in tabaksrook, in een adduct aan DNA.62

DNA kan worden beschadigd door veel verschillende soorten mutagenen. Deze omvatten oxidatiemiddelen, alkyleringsmiddelen en ook hoogenergetische elektromagnetische straling zoals ultraviolet licht en röntgenstralen. Het type geproduceerde DNA-schade hangt af van het type mutageen. UV-licht beschadigt bijvoorbeeld meestal DNA door thymine-dimeren te produceren, die verknopingen zijn tussen aangrenzende pyrimidinebasen in een DNA-streng.63 Aan de andere kant veroorzaken oxidatiemiddelen zoals vrije radicalen of waterstofperoxide meerdere vormen van schade, waaronder basismodificaties, in het bijzonder van guanosine, evenals dubbele strengbreuken.64 Er is geschat dat in elke menselijke cel ongeveer 500 basen per dag oxidatieve schade oplopen.6566 Van deze oxidatieve laesies zijn de meest gevaarlijke dubbelstrengige breuken, omdat deze laesies moeilijk te repareren zijn en puntmutaties, inserties en deleties uit de DNA-sequentie kunnen produceren, evenals chromosomale translocaties.67

Veel mutagenen intercaleren in de ruimte tussen twee aangrenzende basenparen. Intercalatoren zijn meestal aromatische en vlakke moleculen en omvatten ethidium, daunomycine, doxorubicine en thalidomide. Om een ​​intercalator tussen basenparen te laten passen, moeten de basen scheiden en de DNA-strengen vervormen door de dubbele helix af te wikkelen. Deze structurele veranderingen remmen zowel transcriptie als DNA-replicatie, wat toxiciteit en mutaties veroorzaakt. Dientengevolge zijn DNA-intercalatoren vaak carcinogenen, waarbij benzopyreen diol epoxide, acridines, aflatoxine en ethidiumbromide bekende voorbeelden zijn.686970 Niettemin worden ze vanwege hun eigenschappen van het remmen van DNA-transcriptie en replicatie ook gebruikt in chemotherapie om snelgroeiende kankercellen te remmen.71

Overzicht van biologische functies

DNA komt meestal voor als lineaire chromosomen in eukaryoten en circulaire chromosomen in prokaryoten. De verzameling chromosomen in een cel vormt zijn genoom. Het menselijke genoom heeft ongeveer 3 miljard basenparen DNA gerangschikt in 46 chromosomen.72

De informatie die DNA bevat, wordt bewaard in de reeks DNA-stukjes die genen worden genoemd. Overdracht van genetische informatie in genen wordt bereikt via complementaire basenparing. Bijvoorbeeld, in transcriptie, wanneer een cel de informatie in een gen gebruikt, wordt de DNA-sequentie gekopieerd naar een complementaire RNA-sequentie door de aantrekking tussen het DNA en de juiste RNA-nucleotiden. Gewoonlijk wordt deze RNA-kopie vervolgens gebruikt om een ​​bijpassende eiwitsequentie te maken in een proces dat translatie wordt genoemd, dat afhankelijk is van dezelfde interactie tussen RNA-nucleotiden. Als alternatief kan een cel eenvoudig zijn genetische informatie kopiëren in een proces dat DNA-replicatie wordt genoemd. De details van deze functies worden behandeld in andere artikelen; hier richten we ons op de interacties tussen DNA en andere moleculen die de functie van het genoom bemiddelen.

Genoomstructuur

Nadere informatie: Chromosoom, Gene

Genomisch DNA bevindt zich in de celkern van eukaryoten, evenals kleine hoeveelheden in mitochondriën en chloroplasten. In prokaryoten wordt het DNA vastgehouden in een onregelmatig gevormd lichaam in het cytoplasma, het nucleoid.73

De genetische informatie in een genoom bevindt zich binnen genen. Een gen is een eenheid van erfelijkheid en is een DNA-gebied dat een bepaald kenmerk in een organisme beïnvloedt. Genen bevatten een open leeskader dat kan worden getranscribeerd, evenals regulerende sequenties zoals promoters en versterkers, die de expressie van het open leeskader regelen.

In veel soorten codeert slechts een kleine fractie van de totale sequentie van het genoom voor eiwit. Slechts ongeveer 1,5% van het menselijke genoom bestaat bijvoorbeeld uit eiwitcoderende exons, waarbij meer dan 50% van het menselijke DNA uit niet-coderende repetitieve sequenties bestaat.74 De redenen voor de aanwezigheid van zoveel niet-coderend DNA in eukaryote genomen en de buitengewone verschillen in genoomgrootte, of C-waarde, onder soorten vertegenwoordigen een langdurige puzzel bekend als de "C-waarde enigma."75

DNA-sequenties die niet coderen voor eiwit kunnen echter nog steeds coderen voor functionele niet-coderende RNA-moleculen, die betrokken zijn bij de regulatie van genexpressie.76

T7 RNA-polymerase (blauw) die een mRNA (groen) produceert uit een DNA-sjabloon (oranje). Gemaakt van PDB 1MSW.

Sommige niet-coderende DNA-sequenties spelen structurele rollen in chromosomen. Telomeren en centromeren bevatten meestal weinig genen, maar zijn belangrijk voor de functie en stabiliteit van chromosomen.77 Een overvloedige vorm van niet-coderend DNA bij mensen zijn pseudogenen, dit zijn kopieën van genen die zijn uitgeschakeld door mutatie.78 Deze sequenties zijn meestal slechts moleculaire fossielen, hoewel ze soms kunnen dienen als ruw genetisch materiaal voor het creëren van nieuwe genen door het proces van genduplicatie en divergentie.79

Transcriptie en vertaling

Een gen is een opeenvolging van DNA die genetische informatie bevat en het fenotype van een organisme kan beïnvloeden. Binnen een gen definieert de sequentie van basen langs een DNA-streng een boodschapper-RNA-sequentie, die vervolgens een of meer eiwitsequenties definieert. De relatie tussen de nucleotidesequenties van genen en de aminozuursequenties van eiwitten wordt bepaald door de vertaalregels, gezamenlijk bekend als de genetische code. De genetische code bestaat uit drieletterige "woorden" genoemd codons gevormd uit een sequentie van drie nucleotiden (bijv. ACT, CAG, TTT).

Bij transcriptie worden de codons van een gen gekopieerd naar messenger RNA door RNA-polymerase. Deze RNA-kopie wordt vervolgens gedecodeerd door een ribosoom dat de RNA-sequentie leest door base-pairing van het messenger-RNA om RNA over te dragen, dat aminozuren draagt. Aangezien er 4 basen zijn in combinaties van 3 letters, zijn er 64 mogelijke codons ( combinaties). Deze coderen voor de twintig standaard aminozuren, waardoor de meeste aminozuren meer dan één mogelijk codon hebben. Er zijn ook drie "stop" of "onzin" codons die het einde van het coderingsgebied aangeven; dit zijn de TAA-, TGA- en TAG-codons.

DNA-replicatie. De dubbele helix wordt afgewikkeld door een helicase en topoisomerase. Vervolgens produceert één DNA-polymerase de kopieën van de leidende streng. Een ander DNA-polymerase bindt aan de achterblijvende streng. Dit enzym maakt discontinue segmenten (Okazaki-fragmenten) voordat DNA-ligase ze samenvoegt.

Kopiëren

Celdeling is essentieel voor een organisme om te groeien, maar wanneer een cel deelt, moet het het DNA in zijn genoom repliceren, zodat de twee dochtercellen dezelfde genetische informatie hebben als hun ouder.

De dubbelstrengige structuur van DNA biedt een eenvoudig mechanisme voor DNA-replicatie. Hier worden de twee strengen gescheiden en vervolgens wordt de complementaire DNA-sequentie van elke streng opnieuw gemaakt door een enzym dat DNA-polymerase wordt genoemd. Dit enzym maakt de complementaire streng door de juiste base te vinden door complementaire basenparen en deze te binden aan de oorspronkelijke streng. Omdat DNA-polymerasen een DNA-streng alleen in een 5 'tot 3' richting kunnen verlengen, worden verschillende mechanismen gebruikt om de antiparallelle strengen van de dubbele helix te kopiëren.80 Op deze manier bepaalt de base op de oude streng welke base op de nieuwe streng verschijnt en krijgt de cel een perfecte kopie van zijn DNA.

Interacties met eiwitten

Alle functies van DNA zijn afhankelijk van interacties met eiwitten. Deze eiwitinteracties kunnen niet-specifiek zijn, of het eiwit kan specifiek binden aan een enkele DNA-sequentie. Enzymen kunnen ook binden aan DNA en hiervan zijn de polymerasen die de DNA-basensequentie kopiëren in transcriptie en DNA-replicatie bijzonder belangrijk.

DNA-bindende eiwitten

Interactie van DNA met histonen (weergegeven in wit, bovenaan). De basische aminozuren van deze eiwitten (linksonder, blauw) binden aan de zure fosfaatgroepen op DNA (rechtsonder, rood).

Structurele eiwitten die DNA binden zijn goed begrepen voorbeelden van niet-specifieke DNA-eiwitinteracties. Binnen chromosomen wordt DNA vastgehouden in complexen met structurele eiwitten. Deze eiwitten organiseren het DNA in een compacte structuur die chromatine wordt genoemd. Bij eukaryoten omvat deze structuur DNA-binding aan een complex van kleine basische eiwitten, histonen genaamd, terwijl bij prokaryoten meerdere soorten eiwitten betrokken zijn.8182 De histonen vormen een schijfvormig complex dat een nucleosoom wordt genoemd en dat twee volledige windingen van dubbelstrengs DNA rond zijn oppervlak bevat. Deze niet-specifieke interacties worden gevormd door basische residuen in de histonen die ionische bindingen maken met de zure suiker-fosfaat ruggengraat van het DNA, en zijn daarom grotendeels onafhankelijk van de basensequentie.83 Chemische modificaties van deze basische aminozuurresten omvatten methylering, fosforylering en acetylering.84 Deze chemische veranderingen veranderen de sterkte van de interactie tussen het DNA en de histonen, waardoor het DNA min of meer toegankelijk is voor transcriptiefactoren en de transcriptiesnelheid verandert.85 Andere niet-specifieke DNA-bindende eiwitten die in chromatine worden aangetroffen, omvatten de eiwitten met een hoge mobiliteitsgroep, die bij voorkeur binden aan gebogen of vervormd DNA.86 Deze eiwitten zijn belangrijk bij het buigen van reeksen nucleosomen en het rangschikken ervan in complexere chromatinestructuren.87

Een afzonderlijke groep DNA-bindende eiwitten zijn de enkelstrengige DNA-bindende eiwitten die specifiek enkelstrengig DNA binden. Bij mensen is replicatie-eiwit A het best gekarakteriseerde lid van deze familie en is essentieel voor de meeste processen waarbij de dubbele helix wordt gescheiden, waaronder DNA-replicatie, recombinatie en DNA-reparatie.88 Deze bindende eiwitten lijken enkelstrengig DNA te stabiliseren en te beschermen tegen het vormen van stamlussen of worden afgebroken door nucleasen.

De lambda-repressor helix-turn-helix transcriptiefactor gebonden aan zijn DNA-doelwit89

Daarentegen zijn andere eiwitten geëvolueerd om specifiek specifieke DNA-sequenties te binden. De meest intensief bestudeerde hiervan zijn de verschillende klassen van transcriptiefactoren, die eiwitten zijn die transcriptie reguleren. Elk van deze eiwitten bindt aan een bepaalde set DNA-sequenties en activeert of remt daardoor de transcriptie van genen met deze sequenties dicht bij hun promotors. De transcriptiefactoren doen dit op twee manieren. Ten eerste kunnen ze binden aan het RNA-polymerase dat verantwoordelijk is voor transcriptie, hetzij direct, hetzij via andere bemiddelaarproteïnen; dit lokaliseert het polymerase bij de promotor en laat het beginnen met transcriptie.90 Als alternatief kunnen transcriptiefactoren enzymen binden die de histonen op de promotor modificeren; dit zal de toegankelijkheid van het DNA-sjabloon voor het polymerase veranderen.91

Omdat deze DNA-doelen overal in het genoom van een organisme kunnen voorkomen, kunnen veranderingen in de activiteit van één type transcriptiefactor duizenden genen beïnvloeden.92 Bijgevolg zijn deze eiwitten vaak het doelwit van de signaaltransductieprocessen die reacties op omgevingsveranderingen of cellulaire differentiatie en ontwikkeling bemiddelen. De specificiteit van de interacties van deze transcriptiefactoren met DNA komt van de eiwitten die meerdere contacten maken met de randen van de DNA-basen, waardoor ze de DNA-sequentie kunnen "lezen". De meeste van deze base-interacties worden gemaakt in de grote groef, waar de bases het meest toegankelijk zijn.93

Het restrictie-enzym EcoRV (groen) in een complex met zijn substraat-DNA94

DNA-modificerende enzymen

Nucleasen en ligasen

Nucleasen zijn enzymen die DNA-strengen knippen door de hydrolyse van de fosfodiesterbindingen te katalyseren. Nucleasen die nucleotiden van de uiteinden van DNA-strengen hydrolyseren, worden exonucleasen genoemd, terwijl endonucleasen in strengen worden gesneden. De meest gebruikte nucleasen in de moleculaire biologie zijn de restrictie-endonucleasen, die DNA op specifieke sequenties knippen. Het links getoonde EcoRV-enzym herkent bijvoorbeeld de 6'-basensequentie 5'-GAT | ATC-3 'en maakt een snede op de verticale lijn.

In de natuur beschermen deze enzymen bacteriën tegen faaginfectie door het faag-DNA te verteren wanneer het de bacteriecel binnengaat, als onderdeel van het restrictiemodificatiesysteem.95 In technologie worden deze sequentiespecifieke nucleasen gebruikt bij moleculair klonen en DNA-fingerprinting.

Enzymen die DNA-ligasen worden genoemd, kunnen weer bijgesneden of gebroken DNA-strengen worden, met behulp van de energie van ofwel adenosinetrifosfaat of nicotinamide adenine dinucleotide.96 Ligasen zijn met name belangrijk bij DNA-replicatie met achterblijvende streng, omdat ze de korte DNA-segmenten die bij de replicatievork zijn geproduceerd samenvoegen tot een volledige kopie van de DNA-sjabloon. Ze worden ook gebruikt bij DNA-reparatie en genetische recombinatie.96

Topoisomerasen en helicasen

Topoisomerasen zijn enzymen met zowel nuclease- als ligase-activiteit. Deze eiwitten veranderen de hoeveelheid supercoiling in DNA. Sommige van deze enzymen werken door de DNA-helix te snijden en één sectie te laten roteren, waardoor het niveau van supercoiling wordt verlaagd; het enzym sluit vervolgens de DNA-breuk af.38 Andere soorten van deze enzymen zijn in staat om één DNA-helix door te snijden en vervolgens een tweede DNA-streng door deze breuk te leiden, voordat ze weer bij de helix komen.97 Topoisomerasen zijn vereist voor veel processen waarbij DNA betrokken is, zoals DNA-replicatie en transcriptie.39

Helicases zijn eiwitten die een soort moleculaire motor zijn. Ze gebruiken de chemische energie in nucleoside trifosfaten, voornamelijk ATP, om waterstofbruggen tussen basen te breken en de dubbele DNA-helix in enkele strengen af ​​te wikkelen.98 Deze enzymen zijn essentieel voor de meeste processen waarbij enzymen toegang moeten hebben tot de DNA-basen.

Polymerases

Polymerasen zijn enzymen die polynucleotideketens synthetiseren uit nucleoside trifosfaten. Ze werken door nucleotiden toe te voegen aan de 3'-hydroxylgroep van het vorige nucleotide in de DNA-streng. Als gevolg hiervan werken alle polymerasen in een richting van 5 'tot 3'.99 Op de actieve plaats van deze enzymen baseert het nucleoside trifosfaatsubstraat basen tot een enkelstrengs polynucleotide-sjabloon: hierdoor kunnen polymerasen de complementaire streng van dit sjabloon nauwkeurig synthetiseren. Polymerasen worden geclassificeerd volgens het type sjabloon dat ze gebruiken.

Bij DNA-replicatie maakt een DNA-afhankelijke DNA-polymerase een DNA-kopie van een DNA-sequentie. Nauwkeurigheid is van vitaal belang in dit proces, dus veel van deze polymerasen hebben een proeflezingsactiviteit. Hier herkent het polymerase af en toe fouten in de synthesereactie door het ontbreken van baseparing tussen de niet-overeenkomende nucleotiden. Als een mismatch wordt gedetecteerd, wordt een activiteit van 3 'tot 5' exonuclease geactiveerd en wordt de verkeerde base verwijderd.100 In de meeste organismen functioneren DNA-polymerasen in een groot complex dat het replisoom wordt genoemd en dat meerdere aanvullende subeenheden bevat, zoals de DNA-klem of helicasen.101

RNA-afhankelijke DNA-polymerasen zijn een gespecialiseerde klasse van polymerasen die de sequentie van een RNA-streng naar DNA kopiëren. Ze omvatten reverse transcriptase, een viraal enzym dat betrokken is bij de infectie van cellen door retrovirussen, en telomerase, dat nodig is voor de replicatie van telomeren.10251 Telomerase is een ongebruikelijke polymerase omdat het zijn eigen RNA-sjabloon bevat als onderdeel van zijn structuur.52

Transcriptie wordt uitgevoerd door een DNA-afhankelijke RNA-polymerase die de sequentie van een DNA-streng naar RNA kopieert. Om te beginnen met het transcriberen van een gen, bindt de RNA-polymerase aan een sequentie van DNA die een promotor wordt genoemd en scheidt de DNA-strengen. Vervolgens kopieert het de gensequentie in een messenger RNA-transcript totdat het een DNA-gebied bereikt dat de terminator wordt genoemd, waar het stopt en loskomt van het DNA. Net als bij menselijke DNA-afhankelijke DNA-polymerasen, werkt RNA-polymerase II, het enzym dat de meeste genen in het menselijke genoom transcribeert, als onderdeel van een groot eiwitcomplex met meerdere regulerende en bijkomende subeenheden.103

Genetische recombinatie

Structuur van het Holliday junction intermediair in genetische recombinatie. De vier afzonderlijke DNA-strengen zijn rood, blauw, groen en geel gekleurd.104
Nadere informatie: Genetische recombinatie
Recombinatie omvat het breken en opnieuw verenigen van twee chromosomen (M en F) om twee opnieuw gerangschikte chromosomen (C1 en C2) te produceren.

Een DNA-helix heeft meestal geen interactie met andere DNA-segmenten en in menselijke cellen bezetten de verschillende chromosomen zelfs afzonderlijke gebieden in de kern die 'chromosoomgebieden' worden genoemd.105 Deze fysieke scheiding van verschillende chromosomen is belangrijk voor het vermogen van DNA om te functioneren als een stabiele opslagplaats voor informatie, omdat een van de weinige keren dat chromosomen op elkaar inwerken tijdens chromosomale crossover is wanneer ze recombineren. Chromosomale crossover is wanneer twee DNA-helices breken, een sectie verwisselen en dan weer bij elkaar komen.

Recombinatie stelt chromosomen in staat om genetische informatie uit te wisselen en produceert nieuwe combinaties van genen, die belangrijk kunnen zijn voor variabiliteit toegevoegd aan een populatie, en dus evolutie, en belangrijk kunnen zijn in de snelle evolutie van nieuwe eiwitten.106 Genetische recombinatie kan ook betrokken zijn bij DNA-herstel, met name bij de reactie van de cel op dubbele strengbreuken.107

De meest voorkomende vorm van chromosomale crossover is homologe recombinatie, waarbij de twee betrokken chromosomen zeer vergelijkbare sequenties delen. Niet-homologe recombinatie kan schadelijk zijn voor cellen, omdat het chromosomale translocaties en genetische afwijkingen kan veroorzaken. De recombinatiereactie wordt gekatalyseerd door enzymen die bekend staan ​​als recombinasen, zoals RAD51.108 De eerste stap in recombinatie is een dubbelstrengige breuk, hetzij veroorzaakt door een endonuclease of schade aan het DNA.109 Een reeks stappen die gedeeltelijk door de recombinase worden gekatalyseerd, leidt vervolgens tot het samenvoegen van de twee helices door ten minste één Holliday-overgang, waarin een segment van een enkele streng in elke helix wordt gegloeid aan de complementaire streng in de andere helix. De Holliday-overgang is een tetraëdrische overgangsstructuur die langs het paar chromosomen kan worden verplaatst, waarbij de ene streng wordt vervangen door een andere. De recombinatiereactie wordt vervolgens gestopt door splitsing van de verbinding en opnieuw ligatie van het vrijgegeven DNA.110

Evolutie van DNA-metabolisme

DNA bevat de genetische informatie waarmee alle moderne levende wezens kunnen functioneren

Pin
Send
Share
Send