Кіріспе

Генетикалық ақпаратты тасымалдайтын молекула Дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНК) – екі полинуклеотид тізбегінен тұратын полимер, олар бір-біріне оралып, қос спираль құрайды. Полимерде барлық белгілі организмдер мен көптеген вирустардың дамуы, қызмет етуі, өсуі және көбеюі үшін қажетті генетикалық нұсқаулар бар. ДНК және рибонуклеин қышқылы (РНК) – нуклеин қышқылдары. Ақуыздар, липидтер және күрделі көмірсулар (полисахаридтер) сияқты нуклеин қышқылдары – барлық белгілі тіршілік нысандары үшін қажетті төрт негізгі макромолекуланың бірі. ДНК-ның екі тізбегі полинуклеотидтер деп аталады, себебі олар нуклеотидтер деп аталатын қарапайым мономерлік бірліктерден тұрады. Әрбір нуклеотид – азотты негіздердің бірінен (цитозин [C], гуанин [G], аденин [A] немесе тимин [T]), дезоксирибоза деп аталатын қанттан және фосфат тобынан тұрады. Нуклеотидтер бір-бірімен тізбекте ковалентті байланыс (фосфодиэстерлік байланыс) арқылы қосылады, нәтижесінде алмасулы қант-фосфат тірекшесі пайда болады. Екі полинуклеотид тізбегінің азотты негіздері негіздік жұптасу ережелеріне сәйкес (А – Т, С – Г) сутекті байланыс арқылы біріктіріліп, қос спиральді ДНК құрайды. Қосымша азотты негіздер екі топқа бөлінеді: бір сақиналы пиримидиндер және екі сақиналы пуриндер. ДНК-да пиримидиндер – тимин және цитозин, ал пуриндер – аденин және гуанин. Қос спиральді ДНК-ның екі тізбегі де бірдей биологиялық ақпаратты сақтайды. Бұл ақпарат екі тізбек бөлінген кезде көшіріледі. ДНК-ның үлкен бөлігі (адамда 98%-дан астамы) кодталмайды, яғни бұл бөлімдер ақуыз тізбегінің үлгісі ретінде қызмет етпейді. ДНК-ның екі тізбегі қарама-қарсы бағытта орналасқан, сондықтан олар антипараллель. Әрбір қантқа төрт түрлі нуклеобазаның (немесе негіздің) бірі бекітіледі. Осы төрт нуклеобазаның тірекше бойымен орналасуы генетикалық ақпаратты кодтайды. РНК тізбектері ДНК тізбектерін үлгі ретінде пайдаланып, транскрипция процесінде жасалады, онда ДНК негіздері тимин (Т) орнына урацилмен (U) алмастырылады. Генетикалық кодқа сәйкес, бұл РНК тізбектері аминқышқылдарының тізбегін трансляция процесінде анықтайды. Эукариотикалық жасушаларда ДНК хромосомалар деп аталатын ұзын құрылымдарға ұйымдастырылады. Жасуша бөлінуі алдында бұл хромосомалар ДНК репликациясы процесінде көшіріледі, нәтижесінде әр жаңа жасушаға хромосомалардың толық жиынтығы беріледі. Эукариотикалық организмдер (жануарлар, өсімдіктер, саңырауқұлақтар және протостар) ДНК-ның көп бөлігін жасуша ядросының ішінде ядролық ДНК ретінде, ал қалғанын митохондрияда митохондриялық ДНК ретінде немесе хлоропласттарда хлоропласт ДНК ретінде сақтайды. Прокариоттар (бактериялар және археялар) өз ДНК-сын тек цитоплазмада, дөңгелек хромосомаларда сақтайды. Эукариотикалық хромосомаларда хроматин ақуыздары, мысалы, гистондар, ДНК-ны тығыздап, ұйымдастырады. Бұл тығыздау құрылымдары ДНК мен басқа ақуыздар арасындағы өзара әрекеттесуді бақылайды, ДНК-ның қай бөліктері транскрипцияланатынын анықтауға көмектеседі.

Қасиеттері

ДНҚ – нуклеотидтер деп аталатын қайталанатын бірліктерден құралған ұзын полимер. ДНҚ құрылымы ұзындығы бойымен динамикалық, тығыз орамдар мен басқа да пішіндерге оралуға қабілетті. Барлық түрлерде ол сутекті байланыстар арқылы бір-бірімен байланысқан екі спиральді тізбектен тұрады. Екі тізбек те бір осьтің айналасына оралып, бірдей қадамға ие. Тізбектер жұбының радиусы басқа зерттеуге сәйкес, басқа ерітіндіде өлшенгенде, ДНҚ тізбегінің ені өлшеніп, бір нуклеотид бірлігінің ұзындығы өлшенді. ДНҚ-ның көп бөлігінің тығыздығы 1,7 г/см³ құрайды. ДНҚ көбінесе жеке тізбек түрінде емес, бір-бірімен тығыз байланысқан тізбектер жұбы түрінде кездеседі. Бұл екі ұзын тізбек бір-біріне екі спираль түрінде оралады. Нуклеотид молекуланың негізгі тізбегінің сегментін (тізбекті бірге ұстайтын) және нуклеобазаны (спиральдегі басқа ДНҚ тізбегімен өзара әрекеттесетін) қамтиды. Қантқа байланысқан нуклеобаза нуклеозид, ал қантқа және бір немесе бірнеше фосфат топтарына байланысқан база нуклеотид деп аталады. Көптеген байланысқан нуклеотидтерден тұратын биополимер (ДНҚ-дағыдай) полинуклеотид деп аталады. ДНҚ тізбегінің негізгі тізбегі фосфат және қант топтарының кезектесіп орналасуынан тұрады. ДНҚ-дағы қант – 2-дезоксирибоза, яғни пентоза (бес көміртегілі) қант. Қанттар қасындағы қант сақиналарының үшінші және бесінші көміртегі атомдарының арасында фосфодиэстерлік байланыстар құрайтын фосфат топтарымен қосылады. Бұлар 3' ұшы (үштік ұшы) және 5' ұшы (бестік ұшы) көміртегі деп белгіленеді, мұндағы штрих символдары осы көміртегі атомдарын дезоксирибозаның гликозидтік байланысын құрайтын негіздің атомдарынан ажырату үшін қолданылады. (анимациялық нұсқасы) ДНҚ қос спиралі негізінен екі күш арқылы тұрақтандырылады: нуклеотидтер арасындағы сутекті байланыстар және ароматты нуклеобазалар арасындағы негіздердің үйлесуі. ДНҚ-да табылған төрт негіз – аденин, цитозин, гуанин және тимин. Аденин тиминмен, ал гуанин цитозинмен жұптасып, негіз жұптарын құрайды.

Нуклеобаздар жіктелуі

Нуклеобазалар екі түрге бөлінеді: пуриндер, бес және алты мүшелі гетероциклді қосылыстар, және пиримидиндер, алты мүшелі сақиналар және .

Қазық

Екі спиральды жіп ДНК-ның негізгі құрылымын құрайды. Тағы бір екі спираль жіптердің арасындағы кеңістіктерде немесе ойыстарда кездесуі мүмкін. Бұл ойыстар негіз жұптарына жақын орналасқан және байланыс орны ретінде қызмет ете алады. Жіптер бір-біріне қатысты симметриялы түрде орналаспағандықтан, ойыстардың мөлшері әртүрлі. Үлкен ойыс кең, ал кішкентай ойыс тар. Үлкен ойыстың ені үлкен болғандықтан, негіздердің шеттері кішкентай ойысқа қарағанда үлкен ойыста оңай қол жетімді. Сәйкесінше, екі тізбекті ДНК-дағы белгілі бір тізбектерге байланыса алатын транскрипция факторлары сияқты ақуыздар көбінесе үлкен ойыста ашық жатқан негіздердің шеттерімен байланысады. Бұл жағдай клетка ішіндегі ДНК-ның ерекше құрылымдарында өзгеруі мүмкін (төменде қараңыз), бірақ үлкен және кішкентай ойыстар ДНК-ны әдеттегі В формасына бұрағанда байқалатын енінің айырмашылығын көрсететіндей аталады.

Негізгі жұптастыру

Үстіңгі жағында үш сутекті байланысы бар негіз жұбы. Төменгі жағында екі сутекті байланысы бар негіз жұбы. Жұптар арасындағы ковалентті емес сутекті байланыстар үзіліс сызықтар түрінде көрсетілген. ДНҚ қос спиральінде бір тізбектегі нуклеобазаның әр түрі екінші тізбектегі нуклеобазаның бір түрімен ғана байланысады. Бұл толықтыратын негіз жұптасу деп аталады. Пуриндер пиримидерге сутекті байланыстар арқылы байланысады, аденин тек тиминмен екі сутекті байланыс арқылы, ал цитозин тек гуанинмен үш сутекті байланыс арқылы байланысады. Екі нуклеотидтің қос спираль арқылы (алты көміртекті сақинадан алты көміртекті сақинаға дейін) бірігіп байланысуы Уотсон-Крик негіз жұбы деп аталады. Жоғары ГК-мазмұны бар ДНК, төмен ГК-мазмұны бар ДНК-ға қарағанда тұрақтырақ болады. Хугстиндік негіз жұбы (сутекті байланыс 6 көміртекті сақинаны 5 көміртекті сақинаға байланыстырады) – негіз жұптасуының сирек кездесетін түрі. Сутекті байланыстар ковалентті емес болғандықтан, оларды салыстырмалы түрде оңай бұзуға және қайта құруға болады. Сондықтан, қос спиральдегі екі ДНК тізбегін механикалық күшпен немесе жоғары температура арқылы ципке ұқсатып ажыратуға болады. Осы негіз жұптарының толықтырылуының нәтижесінде ДНК спиральінің екі тізбегіндегі барлық ақпарат әр тізбекте қайталанады, бұл ДНК репликациясы үшін маңызды. Толықтыратын негіз жұптары арасындағы бұл қайтымды және ерекше өзара әрекеттесу организмдердегі ДНК-ның барлық функциялары үшін маңызды. Биологияда ДНК қос спиральінің кейбір бөліктері, мысалы, кейбір промоторлардағы Прибнов қорапшасы, оңай ажыратылуы үшін жоғары мазмұнға ие болады, бұл тізбектерді ажыратуды жеңілдетеді. Зертханада осы өзара әрекеттесудің күшін сутекті байланыстардың жартысын бұзу үшін қажетті балқу температурасы Tm арқылы өлшеуге болады. ДНК қос спиральіндегі барлық негіз жұптары ерігенде, тізбектер бөлінеді және ерітіндіде екі толық тәуелсіз молекула ретінде қалады. Бұл бір тізбекті ДНК молекулаларының жалпы түрі жоқ, бірақ кейбір конформациялар басқаларына қарағанда тұрақтырақ болады.

Салымы

Адамдарда бір жасушадағы әйел диплоидты ядролық геномы 6,37 гигабазалық жұпқа (Gbp) жетеді, ұзындығы 208,23 см және салмағы 6,51 пикограмм (pg) құрайды. Еркектерде бұл көрсеткіштер 6,27 Gbp, 205,00 см, 6,41 пг. ДНҚ негіздері жұптары, әрбір молекуласында митохондриялық гендердің толық жиынтығы бар. Әрбір адам митохондриясында орташа есеппен 5 мтДНК молекуласы кездеседі.

Ақыл мен ақылсыздық

ДНК тізбегі, егер ол ақуызға аударылатын РНК көшірмесімен бірдей болса, "сезімдік" тізбек деп аталады. Қарама-қарсы жіптегі тізбек "антисезімдік" тізбек деп аталады. Сезімдік және антисезімдік тізбектер ДНК-ның бір жібінің әртүрлі бөліктерінде болуы мүмкін (яғни, екі жіпте де сезімдік және антисезімдік тізбектер кездесуі мүмкін). Прокариоттарда да, эукариоттарда да антисезімдік РНК тізбектері пайда болады, бірақ бұл РНК-лардың функциялары толыққанды түсініксіз. Бір болжам бойынша, антисезімдік РНК-лар РНК-РНК арасындағы базалық жұптасу арқылы ген экспрессиясын реттеуге қатысады. Прокариоттар мен эукариоттардағы кейбір ДНК тізбектері, ал плазмидтер мен вирустардағы көбірек тізбектер, өзара үстігіше жатқан гендер арқылы сезімдік және антисезімдік жіптер арасындағы шекараны жояды. Мұндай жағдайларда, кейбір ДНК тізбектері қос қызмет атқарады: бір жіп бойынша оқылғанда бір ақуызды кодтайды, ал екінші жіп бойынша кері бағытта оқылғанда – екінші ақуызды кодтайды. Бактерияларда мұндай үстігішелік геннің транскрипциясын реттеуге қатысуы мүмкін, ал вирустарда үстігішелік гендер шағын вирустық геномда кодталатын ақпарат мөлшерін арттырады.

Суперкулинг

ДНҚ арқан сияқты бұралуы мүмкін, бұл процеске ДНҚ суперкоилдеу деп аталады. ДНҚ-ның "бос" күйінде, бір тізбек әдетте қос спираль осінің айналасында 10,4 негіз жұбына бір рет оралады, бірақ ДНҚ бұралғанда тізбектер тығыз немесе кеңірек оралады. Егер ДНҚ спираль бағытында бұралса, бұл оң суперкоилдеу деп аталады, және негіздер бір-біріне жақын ұсталады. Егер олар кері бағытта бұралса, бұл теріс суперкоилдеу, ал негіздер оңайрақ ажырасады. Табиғатта ДНҚ-ның көп бөлігі топоизомераза деп аталатын ферменттер арқылы туындайтын жеңіл теріс суперкоилдеуге ие. Бұл ферменттер сондай-ақ транскрипция және ДНҚ репликациясы сияқты процестер кезінде ДНҚ тізбектеріне туындайтын бұрылу стресін азайту үшін қажет.

Альтернативті ДНК құрылымдары

ДНҚ А ДНҚ, В ДНҚ және Z ДНҚ формаларын қамтитын көптеген мүмкін конформацияларда бар, бірақ функционалды организмдерде тек В ДНҚ және Z ДНҚ тікелей байқалады. А ДНҚ рентгендік дифракциялық үлгілері туралы алғашқы жарияланған есептер, сондай-ақ В ДНҚ, ДНҚ-ның бағытталған талшықтары үшін шектеулі құрылымдық ақпаратты қамтаған Паттерсон функцияларына негізделген талдауларды қолданды. 1953 жылы Уилкинс және авторлар тобы жоғары гидратацияланған ДНҚ талшықтарының В ДНҚ рентгендік дифракциялық шашырау үлгілерін Бессел функцияларының квадраттары арқылы талдауға балама ұсыныс жасады. Сол журналда Джеймс Уотсон мен Фрэнсис Крик ДНҚ рентгендік дифракциялық үлгілерінің молекулалық модельдеу талдауын ұсынды, бұл құрылымның қос спиральді екенін көрсетті. Бұл жақсы анықталған конформация емес, керісінше, жасушалардағы жоғары гидратация деңгейінде кездесетін ДНҚ конформацияларының отбасы. Олардың рентгендік дифракциясы мен шашырау үлгілері маңызды бұзылуларға ие молекулалық паракристалдарға тән. В ДНҚ-мен салыстырғанда, А ДНҚ түрі кеңірек оң спираль, шалғыңқы, кеңірек кіші ойысқа және тар, тереңірек үлкен ойысқа ие. А формасы физиологиялық емес жағдайларда, ДНҚ-ның ішінара дегидратацияланған үлгілерінде пайда болады, ал жасушада ДНҚ және РНҚ жіптерінің гибридті жұпталуында және ферменттік ДНҚ кешендерінде кездесуі мүмкін. Метилирлеу арқылы химиялық түрде өзгертілген ДНҚ сегменттері конформацияда үлкен өзгерістерге ұшырауы және Z формасын қабылдауы мүмкін. Бұл жерде жіптер спиральді осьтің айналасында сол спиральмен бұрылады, бұл одан көп таралған В формасынан өзгеше. Бұл ерекше құрылымдар Z ДНҚ байланыстыратын белоктармен танылуы мүмкін және транскрипцияны реттеуге қатысуы мүмкін.

Альтернативті ДНК химиясы

Көптеген жылдар бойы экзобиологтар көлеңкелі биосфераның бар екендігін ұсынды, бұл Жердің микробтық биосферасы, ол қазіргі кездегі тіршіліктен түбегейлі өзгеше биохимиялық және молекулалық процестерді қолданады. Бір ұсыныс бойынша, ДНК-да фосфордың орнына мырыш емес, суректі пайдаланатын тіршілік формалары болуы мүмкін. 2010 жылы GFAJ 1 бактериясында мұндай мүмкіндік туралы хабарланды, бірақ зерттеулерге қарсылық білдірілді және дәлелдер бактерияның ДНК тізбегіне және басқа биомолекулаларға суректің енуін белсенді түрде болдырмайтынын көрсетеді.

Төрт қабатты құрылымдар

Сызықтық хромосомалардың ұштарында теломерлер деп аталатын ДНК-ның арнайы аймақтары орналасқан. Бұл аймақтардың басты қызметі – клеткаға теломераза ферментін пайдалана отырып, хромосома ұштарын көбейтуге мүмкіндік беру, себебі ДНК-ны көшіретін ферменттер хромосомалардың 3’ ұштарын толық көшіре алмайды. Бұл арнайы хромосомалық қақпақтар ДНК ұштарын қорғауға көмектеседі және жасушадағы ДНК жөндеу жүйелерінің оларды түзету қажетті зақым деп қабылдауына жол бермейді. Адам жасушаларында теломерлер әдетте бір тізбекті ДНК-ның бірнеше мың рет қайталануынан тұратын қарапайым TTAGGG тізбегі болып табылады. Гуанинге бай бұл тізбектер, хромосома ұштарын басқа ДНК молекулаларындағы қалыпты негіз жұптарынан гөрі төрт негіздік бірліктердің үйіліп орналасқан құрылымдарын жасау арқылы тұрақтандыруы мүмкін. Мұнда төрт гуанин негізінен құралған, гуанин тетрадасы деп аталатын құрылым, жалпақ пластинаны құрайды. Бұл төрт негіздік бірліктер бірінің үстіне бірін үйіліп, тұрақты G төртбұрышты құрылымды жасайды. Бұл құрылымдар негіздердің шеттері арасындағы сутекті байланыстар және әрбір төрт негіздік бірліктің ортасындағы металл ионының хелациялануы арқылы тұрақтандырылады. Басқа құрылымдар да пайда болуы мүмкін, онда төрт негіздің орталық жиынтығы бір тізбектен, негіздердің айналасына бүгілген, немесе әрқайсысы орталық құрылымға бір негіз қосатын бірнеше параллель тізбектерден құралады. Бұл үйіліп орналасқан құрылымдардан өзге, теломерлер ірі сақина тәрізді құрылымдарды – теломерлік сақиналарды немесе Т сақиналарын да жасайды. Мұнда бір тізбекті ДНК тізбегі ұзын сақинаға иіліп, теломер байланыстырушы ақуыздармен тұрақтандырылады. Т сақинасының ұшында бір тізбекті теломерлік ДНК, екі тізбекті ДНК аймағына теломерлік тізбек арқылы бекітіледі, ол қос спиральді ДНК-ны бұзып, екі тізбектің бірімен негіздік жұптасуға түседі. Бұл үш тізбекті құрылым ығысу шеңбері немесе D шеңбері деп аталады. Бұтақтанған ДНК нанотехнологияда геометриялық пішіндерді құру үшін қолданылуы мүмкін, төмендегі технологиядағы қолданылу бөлімін қараңыз.

Жасанды негіздер

Бірнеше жасанды нуклеобазалар синтезделді және Hachimoji ДНК деп аталатын сегіз базалық ДНК аналогына сәтті енгізілді. S, B, P және Z деп аталған бұл жасанды негіздер бір-бірімен болжамды түрде байланыса алады (S–B және P–Z), ДНК-ның қос спиральді құрылымын сақтайды және РНК-ға транскрипцияланады. Олардың болуы Жерде пайда болған төрт табиғи нуклеобазаның ерекше қасиеттері жоқ екенін көрсетеді. Екінші жағынан, ДНК РНК-мен тығыз байланысты, ал РНК ДНК-ның көшірмесі ғана емес, сонымен қатар жасушаларда көптеген қызметтерді атқаратын молекулалық машина болып табылады. Осы мақсатта ол белгілі бір құрылымға жиырылуы керек. Барлық мүмкін құрылымдарды жасау үшін тиісті РНК үшін кем дегенде төрт негіз қажет екені көрсетілді, ал одан да көп негіздер де мүмкін, бірақ бұл ең аз күш жұмсау принципіне қайшы келеді.

Қышқылдық

ДНҚ-ның фосфат топтары оған фосфор қышқылына ұқсас қышқылдық қасиеттер береді және оны күшті қышқыл деп санауға болады. Ол қалыпты жасушалық pH деңгейінде толық иондалады, фосфат топтарында теріс зарядтарды қалдыратын протондарды бөліп шығарады. Бұл теріс зарядтар ДНҚ-ны гидролизден қорғайды, оны гидролиздей алатын нуклеофилдерді тебіп жібереді.

Макроскопиялық көрінісі

Жасушалардан алынған таза ДНК ақ түсті, жіп сияқты жиналған масса түзеді.

Базалық модификациялар және ДНК-ның буып-түюі

Гендердің экспрессиясына ДНК-ның хромосомаларға, хроматин деп аталатын құрылымға қалай жиналуы әсер етеді. Базалық модификациялар осы жиналу процесіне қатысуы мүмкін, ал гендік экспрессиясы төмен немесе жоқ аймақтарда цитозин негіздерінің метилирленуінің жоғары деңгейі көбінесе кездеседі. ДНК-ның жиналуы және оның ген экспрессиясына тигізетін әсері, ДНК-ның хроматин құрылымына оралған гистон белоктерінің коваленттік модификациялары арқылы немесе хроматин құрылымын өзгертуге қатысатын кешендердің жұмысы арқылы жүзеге асуы мүмкін (Хроматин құрылымын өзгерту туралы қараңыз). Сонымен қатар, ДНК метилирлеу мен гистон модификациялары арасында өзара байланыс бар, сондықтан олар хроматин мен ген экспрессиясына бірлесіп әсер ете алады. Мысалы, цитозиннің метилирленуі 5-метилцитозиннің түзілуіне әкеледі, бұл Х-хромосомасының белсенділігін жою үшін маңызды. Метилирлеудің орташа деңгейі организмдер арасында өзгереді – Caenorhabditis elegans құртында цитозин метилирленуі жоқ, ал омыртқалы жануарларда бұл деңгей жоғары, олардың ДНК-сының 1%-ға дейін 5-метилцитозин құрамын құрайды. 5-метилцитозиннің маңыздылығына қарамастан, ол деаминизацияланып тиминге айналуы мүмкін, сондықтан метилденген цитозиндер мутацияға бейім. Басқа базалық модификацияларға бактерияларда адениннің метилирленуі, мида 5-гидроксиметилцитозиннің болуы және кинетопластидтерде "J-негізін" құру үшін урацилдің гликозильдеуі жатады.

Зақым

ДНК-ны көптеген мутагендер зақымдауы мүмкін, олар ДНК тізбегінің реттілігін өзгертеді. Мутагендерге тотықтырғыш заттар, алкилдеуші заттар, сондай-ақ ультракүлгін сәуле және рентген сәулелері сияқты жоғары энергиялы электромагниттік сәулелер жатады. ДНК зақымдануының түрі мутагеннің түріне байланысты. Мысалы, ультракүлгін сәуле пиримидин негіздері арасындағы байланыстар болып табылатын тимин димерлерін түзетін арқылы ДНК-ға зақым келтіреді. Ал, еркін радикалдар немесе сутек пероксиді сияқты тотықтырғыштар негіздердің өзгеруі, әсіресе гуанозиннің, және екі тізбектің үзілуі сияқты әртүрлі зақымдану түрлерін тудырады. Типик адам жасушасында оксидативтік зақымдалған шамамен 150 000 негіз болады. Осы оксидативтік зақымдардың ең қауіптісі – екі тізбектің үзілуі, себебі оларды жөндеу қиын, және бұл нүктелік мутацияларға, ендірулерге, ДНК тізбегінен жойылуларға және хромосомалық транслокацияларға алып келуі мүмкін. Бұл мутациялар қатерлі ісікке себеп болуы мүмкін. ДНК-ны қалпына келтіру механизмдерінің шектеулілігіне байланысты, егер адамдар жеткілікті ұзақ өмір сүрсе, олардың барлығы қатерлі ісікке шалдығады. Реактивті оттегі түрлерін өндіретін қалыпты жасушалық процестерге, жасушалық судың гидролитикалық әрекетіне және т.б. байланысты ДНК зақымдануы да жиі кездеседі. Бұл зақымдардың көпшілігі жөнделсе де, кез келген жасушада жөндеу процестеріне қарамастан, кейбір ДНК зақымдануы қалуы мүмкін. Бұл қалған ДНК зақымданулары сүтқоректілердің митоздық емес тіндерінде жас өте келе жинақталады. Бұл жинақталу қартаюдың маңызды себебі болып көрінеді. Көптеген мутагендер екі жақын негіз жұбының арасына кіреді, бұл интеркаляция деп аталады. Көптеген интеркаляторлар ароматты және жазық молекулалар болып табылады; мысалдарға этидий бромиді, акридиндер, дауномицин және доксорубицин жатады. Интеркалятор негіз жұптарының арасына кіруі үшін негіздер бөлінуі керек, бұл қос спиральды бұрып, ДНК тізбектерін деформациялайды. Бұл транскрипция мен ДНК репликациясын тежейді, уыттылық пен мутацияларды тудырады. Соның салдарынан, ДНК интеркаляторлары канцерогенді болуы мүмкін, ал талидомид жағдайында – тератогенді. Басқалары, мысалы, бензо[а]пирен диол эпоксиді және афлатоксин, репликациядағы қателерді тудыратын ДНК аддукттарын құрайды. Дегенмен, олардың ДНК транскрипциясы мен репликациясын тежеу қабілетіне байланысты, басқа да ұқсас токсиндер тез өсетін қатерлі ісік жасушаларын тежеу үшін химиотерапияда қолданылады.

Биологиялық функциялары

ДНҚ эукариоттарда әдетте сызықтық хромосомалар, ал прокариоттарда дөңгелек хромосомалар түрінде кездеседі. Клеткадағы хромосомалардың жиынтығы оның геномын құрайды; адам геномы шамамен 3 миллиард негіздік жұп ДНК-дан тұрады, олар 46 хромосомаға орналастырылған. Геномдағы генетикалық ақпарат гендерде сақталады, ал организмдегі осы ақпараттың толық жиынтығы генотип деп аталады. Ген – мұрагерлік бірлігі және организмдегі белгілі бір қасиетке әсер ететін ДНК аймағы. Гендерде транскрипцияға болатын ашық оқу тізбегі және ашық оқу тізбегінің транскрипциясын бақылайтын промоторлар мен энхансерлер сияқты реттеуші тізбектер бар. Көптеген түрлерде геномның барлық тізбегінің тек шағын бөлігі ғана ақуызды кодтайды. Мысалы, адам геномның тек 1,5%-ы ғана ақуызды кодтайтын экзондардан тұрады, ал адам ДНК-ның 50%-дан астамы кодтамайтын қайталанатын тізбектерден тұрады. Эукариоттық геномдарда кодтамайтын ДНК-ның көп болу себептері және түрлер арасындағы геном мөлшерінің, немесе С-мәнінің айқын айырмашылықтары ұзақ жылдар бойы шешілмей келе жатқан "С-мәні жұмбағы" деп аталады. Дегенмен, кейбір ақуызды кодтамайтын ДНК тізбектері гендік экспрессияны реттеуге қатысатын функционалдық кодтамайтын РНК молекулаларын кодтауы мүмкін. Кейбір кодтамайтын ДНК тізбектері хромосомаларда құрылымдық рөл атқарады. Теломерлер мен центромерлерде әдетте аз гендер болады, бірақ хромосомалардың функциясы мен тұрақтылығы үшін маңызды. Адамда кодтамайтын ДНК-ның кең таралған түрі – псевдогендер, яғни мутация нәтижесінде іссізденген гендердің көшірмелері. Бұл тізбектер көбінесе молекулалық қалдықтар болып табылады, бірақ олар кейде гендердің дубликациялануы және дивергенция процесі арқылы жаңа гендерді құру үшін шикі генетикалық материал ретінде қолданылуы мүмкін.

Транскрипция және аударма

Ген – генетикалық ақпаратты қамтитын және организмнің фенотипіне әсер ететін ДНҚ тізбегі. Ген ішінде ДНК тізбегі бойымен орналасқан негіздердің реті РНК-ның хабаршы реттілігін анықтайды, ал ол бір немесе бірнеше ақуыз реттілігін анықтайды. Гендердегі нуклеотидтік реттілік пен ақуыздардың аминокислоталық реттіліктері арасындағы байланыс, генетикалық код деп аталатын аударма ережелерімен анықталады. Генетикалық код үш нуклеотидтен тұратын тізбектен (мысалы, ACT, CAG, TTT) құрылған үш әріпті "сөздерден", яғни кодоннан тұрады. Транскрипция кезінде геннің кодондары РНК-полимераза ферменті арқылы хабаршы РНК-ға көшіріледі. Бұл РНК көшірмесі рибосома арқылы декодталады, ол хабаршы РНК-ны аминқышқылдарын тасымалдайтын РНК-мен базалық жұптастыру арқылы РНК тізбегін оқиды. 3 әріптік комбинацияда 4 негіз болғандықтан, 64 мүмкін кодон (43 комбинация) болады. Бұл жиырма стандартты аминқышқылын кодтайды, көптеген аминқышқылдарға бірнеше кодон сәйкес келеді. Сонымен қатар, кодтау аймағының соңында үш "тоқтату" немесе "мағынасыз" кодон бар: TAG, TAA және TGA (мРНК-да UAG, UAA және UGA).

Көшіру

Жасушаның бөлінуі организмнің өсуі үшін қажетті, бірақ жасуша бөлінген кезде ол геномындағы ДНК-ны көшіріп алуы керек, сонда екі жаңа клетканың генетикалық ақпараты аналық клеткасымен бірдей болады. ДНК-ның екі жіпті құрылымы ДНК-ны көшірудің оңай механизмін ұсынады. Онда екі жіп ажыратылады, содан кейін әр жіптің толықтыратын ДНК тізбегі ДНК полимераза деп аталатын фермент арқылы қайта жасалады. Бұл фермент толықтыратын жіпті толықтыратын базалық жұптасу арқылы дұрыс базаны тауып, оны бастапқы жіпке қосып жасайды. ДНК полимеразалары ДНК жібін 5′-тен 3′-қа қарай ғана ұзарта алатынын ескере отырып, екі спиральдің қарама-қарсы жіптерін көшіру үшін әртүрлі механизмдер қолданылады. Осылайша, ескі жіптегі база жаңа жіпте қай база пайда боларына бағыттайды, нәтижесінде жасуша ДНК-ның мінсіз көшірмесін алады.

Жасушадан тыс нуклеин қышқылдары

Жасушадан тыс ДНК (eDNA) – жасуша өлімінен босатылатын, қоршаған ортада кең таралған ДНК. Топырақтағы концентрациясы 2 мкг/л-ға дейін, ал табиғи су ортасында 88 мкг/л-ға дейін жете алады. eDNA-ның әртүрлі мүмкін функциялары ұсынылған: ол көлденең гендерді тасымалдауға қатысуы мүмкін; қоректік заттармен қамтамасыз етуі мүмкін; сондай-ақ иондарды немесе антибиотиктерді байланыстыру немесе мөлшерлеу үшін буферлік рөл атқаруы мүмкін. Жасушадан тыс ДНК кейбір бактерия түрлерінің биоқабықшаларында функционалды жасушадан тыс матрица компоненті ретінде әрекет етеді. Ол биоқабықшадағы белгілі бір жасуша түрлерінің жабысуын және таралуын реттеуге қатысатын тану факторы болып табылуы мүмкін; биоқабықшаның қалыптасуына үлес қосуы мүмкін; биоқабықшаның физикалық күшіне және биологиялық стреске төзімділігіне әсер етуі мүмкін. Ананың қанында жасушасыз ұрықтық ДНК табылады, және оны ұрықтың дамуы туралы маңызды ақпаратты анықтау үшін секвенирлеуге болады. "Қоршаған орта ДНК" деген атпен eDNA табиғат ғылымдарында экологияны зерттеу құралы ретінде, су, ауа немесе құрлықтағы түрлердің қозғалысын және болуын бақылау, сондай-ақ аумақтың биоәртүрлілігін бағалау үшін кеңінен қолданылады.

Нейтрофильді клеткадан тыс тұзақтар

Нейтрофильдік клеткадан тыс тұзақтар (NET) – негізінен ДНК-дан құралған, клеткадан тыс талшықтардың желісі. Олар нейтрофильдерге, ақ қан жасушаларының бір түріне, жақын маңындағы жасушаларға зиян тигізбей, клеткадан тыс патогендерді өлтіруге мүмкіндік береді.

Белсендермен өзара әсерлесу

ДНҚ-ның барлық функциялары ақуыздармен өзара әрекеттесуге тәуелді. Бұл ақуыз өзара әрекеттесулері арнайы емес болуы мүмкін, немесе ақуыз бір ғана ДНК тізбегіне арнайы байланысуы мүмкін. Ферменттер де ДНК-ға байланыса алады, және олардың ішінде транскрипция мен ДНК репликациясында ДНК негіздер тізбегін көшіретін полимеразалар ерекше маңызды.

ДНҚ-мен байланысатын ақуыздар

Құрылымдық ақуыздар, ДНК-ны байлайтын, ДНК-ның ерекше емес ақуыздық өзара әрекеттесуінің жақсы түсінілген мысалдары болып табылады. Хромосомалардың ішінде ДНК құрылымдық ақуыздармен кешенде болады. Бұл ақуыздар ДНК-ны хроматин деп аталатын тығыз құрылымға ұйымдастырады. Эукариоттарда бұл құрылым гистондар деп аталатын шағын негізгі ақуыздар кешеніне ДНК-ның байланысуын қамтиды, ал прокариоттарда бірнеше түрлі ақуыздар қатысады. Гистондар диск тәрізді кешенді құрайды, ол нуклеосома деп аталады, оның бетінде екі толық айналымды қос спиральді ДНК орналасқан. Бұл ерекше емес өзара әрекеттесулер гистондардағы негізгі қалдықтар арқылы қалыптасады, ДНК-ның қышқылдық қант-фосфат тірекшесімен иондық байланыстар жасап, осылайша негізінен ДНК тізбегінен тәуелсіз болады. Осы негізгі аминқышқылдарының қалдықтарын химиялық өзгертуге метилдеу, фосфорлану және ацетилдеу жатады. Бұл химиялық өзгерістер ДНК мен гистондар арасындағы өзара әрекеттесудің күшін өзгертеді, ДНК-ны транскрипция факторларына көбірек немесе азырақ қолжетімді етеді және транскрипция жылдамдығын өзгертеді. Хроматиндегі басқа да ерекше емес ДНК-ға байланысатын ақуыздарға жоғары қозғалмалы топтың ақуыздары жатады, олар бүгілген немесе бұрмаланған ДНК-ға байланысады. Бұл ақуыздар нуклеосомалардың тізімдерін бүгілгенде және оларды хромосома құрайтын үлкен құрылымдарға орналастыруда маңызды рөл атқарады. ДНК-ға байланысатын ақуыздардың ерекше тобы – бір тізбекті ДНК-ға байланысатын ДНК-ға байланысатын ақуыздар. Адамдарда репликациялық протеин А осы отбасының ең жақсы зерттелген мүшесі болып табылады және ДНК репликациясы, рекомбинация және ДНК жөндеу сияқты қос спиральді бөліп алатын процестерде қолданылады. Бұл байланыстыратын ақуыздар бір тізбекті ДНК-ны тұрақтандырып, оны сақина тәрізді құрылымдардың пайда болуынан немесе нуклеазалармен ыдыраудан қорғайды. Керісінше, басқа ақуыздар белгілі бір ДНК тізбектеріне байланысу үшін эволюцияланған. Олардың арасында ең көп зерттелгендері – транскрипцияны реттейтін ақуыздар, яғни транскрипция факторлары. Әрбір транскрипция факторы ДНК-ның нақты бір тізбегіне байланысады және осы тізбектерге жақын орналасқан гендердің транскрипциясын белсендіреді немесе тежейді. Транскрипция факторлары мұны екі жолмен істейді. Біріншіден, олар транскрипцияға жауапты РНК полимеразамен тікелей немесе басқа медиаторлық ақуыздар арқылы байланыса алады; бұл полимеразаны промоторға орналастырады және транскрипцияны бастауға мүмкіндік береді. Екіншіден, транскрипция факторлары промотордағы гистондарды өзгертетін ферменттерге байланыса алады. Бұл ДНК-ның полимеразаға қолжетімділігін өзгертеді. Аталған ДНК-таргеттері организмнің геномында кеңінен таралғандықтан, транскрипция факторының бір түрінің белсенділігіндегі өзгерістер мыңдаған гендерге әсер етуі мүмкін. Осылайша, бұл ақуыздар көбінесе қоршаған ортаның өзгеруіне немесе жасушалық дифференциация мен дамуға жауап беретін сигналдық жүйелердің нысанасы болып табылады. Бұл транскрипция факторларының ДНК-мен өзара әрекеттесуінің ерекшелігі ДНК негіздерінің жиектеріне көптеген байланыстар жасайтын ақуыздардың қабілетінен туындайды, бұл оларға ДНК тізбегін "оқуға" мүмкіндік береді. Бұл негіздердің арасындағы өзара әрекеттесулердің көпшілігі негіздердің ең қолжетімді болатын үлкен саңылауда жүзеге асырылады.

Нуклеазалар мен лигазалар

Нуклеазалар – фосфодиэстерлік байланыстардың гидролизіне катализаторлық әсер ете отырып, ДНК тізбектерін кесетін ферменттер. ДНК тізбектерінің ұштарынан нуклеотидтерді гидролиздейтін нуклеазалар экзонуклеазалар деп аталады, ал тізбек ішінде кесетін нуклеазалар эндонуклеазалар деп аталады. Молекулалық биологияда ең көп қолданылатыны – ДНК-ны белгілі бір тізбектерде кесетін шектеу эндонуклеазалары. Мысалы, сол жақта көрсетілген EcoRV ферменті 6 негіздік 5′ GATATC 3′ тізбегін таниды және көлденең сызықта кесім жасайды. Табиғатта бұл ферменттер бактериялық клеткаға енген кезде фаг ДНК-сын ыдырату арқылы бактерияларды фаг инфекциясынан қорғайды, бұл шектеу-модификация жүйесінің бір бөлігі болып табылады. Технологияда бұл тізбекке тәуелді нуклеазалар молекулалық клондау және ДНК саусақ іздерін алуда қолданылады. ДНК лигазалары деп аталатын ферменттер кесілген немесе үзілген ДНК тізбектерін қайта біріктіре алады. Лигазалар артта қалған тізбектің ДНК репликациясында маңызды рөл атқарады, себебі олар репликация шатырында түзілген ДНК-ның қысқа сегменттерін біріктіріп, ДНК-ның толық көшірмесін жасайды. Олар ДНК жөндеу және генетикалық рекомбинацияда да қолданылады. ДНК репликациясы және транскрипциясы сияқты ДНК-ға қатысты көптеген процестер үшін топоизомеразалар қажет. Бұл ферменттер ДНК негіздеріне қол жеткізуі керек ферменттердің көптеген процестері үшін өте маңызды.

Полимеразалар

Полимеразалар – нуклеозид трифосфаттарынан полинуклеотидтік тізбектерді синтездейтін ферменттер. Олардың өнімдерінің реті шаблон деп аталатын, алдын ала бар полинуклеотидтік тізбектер негізінде қалыптасады. Бұл ферменттер өсіп келе жатқан полинуклеотидтік тізбектің соңындағы 3′ гидроксилдік тобына нуклеотидті қайта-қайта қосу арқылы жұмыс істейді. Осының салдарынан, барлық полимеразалар 5′-ден 3′-ға қарай бағытта жұмыс істейді. Бұл ферменттердің белсенді ортасында келіп түскен нуклеозид трифосфатының негізі шаблонмен жұптасады: бұл полимеразаларға өз шаблондарының толықтырылатын тізбегін дәл синтездеуге мүмкіндік береді. Полимеразалар қолданатын шаблон түріне қарай жіктеледі. ДНҚ репликациясында ДНҚ-ға тәуелді ДНҚ полимеразалар ДНҚ полинуклеотидтік тізбектерінің көшірмелерін жасайды. Биологиялық ақпаратты сақтау үшін әрбір көшірмедегі негіздер тізбегі шаблон тізбегіндегі негіздер тізбегімен дәл толықтырылуы керек. Көптеген ДНҚ полимеразалар түзету белсенділігіне ие. Мұнда полимераза синтез реакциясындағы кездейсоқ қателерді сәйкес келмейтін нуклеотидтер арасындағы негіз жұптасуының болмауы арқылы анықтайды. Егер сәйкессіздік анықталса, 3′–5′ экзонуклеаза белсенділігі іске қосылып, дұрыс емес негіз алынып тасталады. Көптеген организмдерде ДНҚ полимеразалар реплисома деп аталатын ірі кешенде жұмыс істейді, оған ДНҚ-жапсырмасы немесе геликазалар сияқты қосымша бөлімшелер кіреді. РНҚ-ға тәуелді ДНҚ полимеразалар – РНҚ тізбегін ДНҚ-ға көшіретін полимеразалардың ерекше класы. Оларға ретровирустардың жасушаларды жұқтыруына қатысатын вирустық фермент – кері транскриптаза және теломерлердің репликациясына қажетті теломераза кіреді. Мысалы, ВИЧ кері транскриптазасы – СПИД вирусының репликациясы үшін қажетті фермент.

Генетикалық рекомбинация

Генетикалық рекомбинациядағы Холлидей түйіні аралық құрылымы. ДНҚ-ның төрт жеке жібі қызыл, көк, жасыл және сары түспен боялған. ДНҚ спиралі әдетте ДНҚ-ның басқа сегменттерімен өзара әрекеттеспейді, ал адам жасушаларында әртүрлі хромосомалар тіпті ядродағы «хромосомалық аумақтар» деп аталатын бөлек аймақтарды иеленеді. Әртүрлі хромосомалардың физикалық бөлінуі ДНҚ-ның тұрақты ақпарат сақтау орны ретінде жұмыс істеу қабілеті үшін маңызды, себебі хромосомалардың өзара әрекеттесуінің сирек кездесетін жағдайларының бірі – жыныстық көбею кезінде болатын генетикалық рекомбинация кезіндегі хромосомалық кроссовер. Хромосомалық кроссовер – екі ДНҚ спиралінің үзіліп, бір бөлігін алмастырып, қайта қосылуы. Рекомбинация хромосомаларға генетикалық ақпарат алмасуға және гендердің жаңа комбинацияларын құруға мүмкіндік береді, бұл табиғи іріктеудің тиімділігін арттырады және жаңа белоктардың жылдам эволюциясында маңызды рөл атқара алады. Генетикалық рекомбинация ДНҚ жөндеуге де қатысуы мүмкін, әсіресе жасушаның қос жіпті үзілуге жауап беруіне. Хромосомалық кроссовердің ең көп таралған түрі – гомологты рекомбинация, онда екі хромосоманың тікелей ұқсас тізбектері болады. Гомолог емес рекомбинация жасушаларға зиян келтіруі мүмкін, себебі ол хромосомалық транслокациялар мен генетикалық аномалияларға әкелуі мүмкін. Рекомбинациялық реакцияны RAD51 сияқты рекомбиназалар деп аталатын ферменттер катализдейді. Рекомбинацияның алғашқы қадамы – эндонуклеазаның немесе ДНҚ зақымдануынан туындаған қос жіпті үзілу. Рекомбиназаның қатысуымен катализделген қадамдар сериясы екі спиральді кем дегенде бір Холлидей түйіні арқылы біріктіреді, онда әр спиральдегі бір жіп сегменті екінші спиральдегі толықтыратын жіпке қосылады. Холлидей түйіні – тетраэдрлі түйін құрылымы, оны хромосомалар жұбының бойымен жылжытуға болады, бір жіпті екіншісімен алмастырады. Рекомбинациялық реакция содан кейін түйіннің кесілуі және босатылған ДНҚ-ның қайта байланысуы арқылы тоқтатылады. Рекомбинация кезінде тек бірдей полярлы жіптер ғана ДНҚ алмасады. Кесілудің екі түрі бар: шығыс-батыс кесілуі және солтүстік-оңтүстік кесілуі. Солтүстік-оңтүстік кесілуі ДНҚ-ның екі жібін де кесіп тастайды, ал шығыс-батыс кесілуінде ДНҚ-ның бір жібі сақталады. Рекомбинация кезінде Холлидей түйінінің пайда болуы генетикалық әртүрлілікке, хромосомаларда гендердің алмасуына және жабайы типтегі вирустық геномдардың экспрессиясына мүмкіндік береді.

Эволюция

ДНҚ барлық тіршілік түрлерінің жұмыс істеуіне, өсуіне және көбеюіне қажетті генетикалық ақпаратты қамтиды. Алайда, 4 миллиард жылдық тіршілік тарихында ДНҚ осы функцияны қанша уақыт атқарғаны белгісіз, себебі тіршіліктің ең алғашқы түрлері генетикалық материал ретінде РНҚ-ны пайдаланған болуы мүмкін деп есептеледі. РНҚ ерте жасуша метаболизмінің орталық бөлігі болған болуы мүмкін, өйткені ол генетикалық ақпаратты жеткізе де алады, сонымен қатар рибозимдер құрамында катализдік процестерді жүзеге асыра алады. Бұл ежелгі РНҚ әлемінде нуклеин қышқылы катализ бен генетиканың екеуіне де қолданылған болуы мүмкін, бұл төрт нуклеотидтік базаға негізделген қазіргі генетикалық кодтың эволюциясына әсер еткен болуы мүмкін. Мұндай организмдегі әртүрлі базалардың саны репликацияның дәлдігін арттыратын базалардың аз болуы мен рибозимдердің катализдік тиімділігін арттыратын базалардың көп болуы арасындағы тепе-теңдік болып табылады. Дегенмен, ежелгі генетикалық жүйелердің тікелей дәлелі жоқ, өйткені көптеген қазбалардан ДНҚ-ны қалпына келтіру мүмкін емес, себебі ДНҚ қоршаған ортада бір миллион жылдан кем уақытқа ғана төтеп береді және ерітіндідегі қысқа фрагменттерге бірте-бірте ыдырайды. Ескі ДНК туралы бірнеше мәлімдеме жасалды, оның ең танымал мысалы – 250 миллион жылдық тұз кристаллынан тірі бактерияның оқшаулануы туралы хабарлама, бірақ бұл мәлімдемелер күмәнді. ДНҚ-ның құрылыс блоктары (аденин, гуанин және басқа да органикалық молекулалар) ғарыш кеңістігінде пайда болған болуы мүмкін. Өмірге қажетті күрделі ДНҚ және РНҚ органикалық қосылыстары, соның ішінде урацил, цитозин және тимин, метеориттерде кездесетін пиримидин сияқты бастапқы химиялық заттарды қолдана отырып, зертхана жағдайында ғарыш кеңістігіндегі жағдайларды имитациялау арқылы синтезделді. Пиримидин, полициклді ароматты көмірсутектер сияқты, ғаламдағы ең көміртегіге толы химиялық зат, қызыл алып жұлдыздарда немесе жұлдызаралық ғарыш шаңы мен газ бұлттарында пайда болған болуы мүмкін. 2021 жылдың ақпан айында ғалымдар алғаш рет жануарлардың қалдықтарынан – миллион жылдан астам ғасырлар бұрынғы мамонттың ДНҚ-сын тізбектеп, бүгінгі күнге дейін тізбектелген ең көне ДНҚ рекордын жаңартты.

Генетикалық инженерия

Организмдерден ДНК-ны тазарту әдістері, мысалы, фенол-хлороформ экстракциясы, және оны лабораторияда манипуляциялау әдістері, мысалы, шектеу ферменттерімен кесу және полимераза тізбектік реакциясы (ПТР) әзірленді. Қазіргі заманғы биология мен биохимия осы техникаларды рекомбинантты ДНҚ технологиясында кеңінен пайдаланады. Рекомбинантты ДНҚ – басқа ДНҚ тізбектерінен құрастырылған, адам жасаған ДНҚ тізбегі. Оларды плазмида түрінде немесе тиісті форматта, вирустық векторды қолдану арқылы организмдерге енгізуге болады. Генетикалық түрлендірілген организмдер рекомбинантты ақуыздар сияқты өнімдерді өндіруге, медициналық зерттеулерде қолдануға немесе ауыл шаруашылығында өсіруге пайдаланылуы мүмкін.

ДНК профилін анықтау

Сот-медициналық сарапшылар қылмыс орнында табылған қан, сперма, тері, сілекей немесе шаштың ДНК-сын қылмыскер сияқты бір адамның ДНК-сымен сәйкестігін анықтау үшін пайдалана алады. Бұл процеске ресми түрде ДНК профильдеу дейді, сондай-ақ ДНК саусақ іздері деп те атайды. ДНК профильдеуде адамдар арасындағы қысқа қайталама тізбектер (short tandem repeats) және миниспутниктер сияқты қайталанатын ДНК бөліктерінің ұзындығы салыстырылады. Бұл әдіс әдетте ДНК-ны сәйкестендіру үшін өте сенімді техника болып табылады. Дегенмен, егер қылмыс орнында бірнеше адамның ДНК-сы табылып, қосылса, анықтау қиын болуы мүмкін. ДНК профильдеуді 1984 жылы британдық генетик сэр Алек Джеффрис әзірледі және ол алғаш рет сот-медициналық салада 1988 жылғы Эндербидегі қылмыстар ісінде Колин Пичфоркті кінәлі деп тану үшін қолданылды. Сот-медицина ғылымының дамуы және қанның, терінің, сілекейдің немесе шаштың кішкентай үлгілерінен генетикалық сәйкестікті анықтау мүмкіндігі көптеген істерді қайта қарауға алып келді. Алғашқы сараптама кезінде ғылыми тұрғыдан мүмкін болмаған жаңа дәлелдерді табуға болады. Кейбір елдерде қос сотталмау заңының күшін жою арқасында, бұрынғы сот отырыстарында қазылар алқасын сендіретін жеткілікті дәлелдер табылмай қалған істерді қайта ашуға болады. Ауыр қылмыс жасады деген айыппен ұсталған адамдардан ДНК үлгісін беру талап етілуі мүмкін. ДНК сәйкестігіне қарсы ең тиімді қорғаныс – дәлелдердің қиылысуы болды деген мәлімдеме. Бұл жаңа, ауыр қылмыстар бойынша қатаң сақтау шараларын енгізуге әкелді. ДНК профильдеу жаппай құрбан болғандарды, ауыр апаттардағы денелерді немесе дене бөліктерін, сондай-ақ жаппай соғыс қабірлеріндегі жеке құрбандарды олардың отбасы мүшелерімен сәйкестіру арқылы анықтау үшін де сәтті қолданылады. ДНК профильдеу ДНК-ның әкелік тестінде баланың биологиялық әкесі немесе әжесі екенін анықтау үшін де қолданылады. Егер күдікті әке баламен биологиялық байланыста болса, әкелік ықтималдығы әдетте 99,99% құрайды. ДНК-ның қалыпты тізбектелу әдістері бала туғаннан кейін жүзеге асырылады, бірақ ана жүкті болған кезде әкелікті анықтаудың жаңа әдістері де бар.

ДНК ферменттері немесе каталитикалық ДНК

Дезоксирибозимдер, сондай-ақ ДНК-зимдер немесе катализдік ДНК деп аталады, алғаш рет 1994 жылы ашылды. Олар көбінесе бір тізбекті ДНК тізбектері болып табылады, олар in vitro селекциясы немесе лигандтардың экспоненциалды байыту арқылы жүйелі эволюциясы (SELEX) деп аталатын комбинаторлық тәсіл арқылы кездейсоқ ДНК тізбектерінің үлкен жиынтығынан бөліп алынады. ДНК-зимдер РНК-ДНК-ны кесу, РНК-ДНК-ны қосу, аминқышқылдарын фосфорлануын және дефосфорлануын, көміртектік байланыс құру сияқты әртүрлі химиялық реакцияларды катализдейді. ДНК-зимдер катализделмеген реакцияға қарағанда химиялық реакциялардың катализдік жылдамдығын 100 000 000 000 есеге дейін арттыра алады. ДНК-зимдердің ең көп зерттелген класы – РНК-ны кесетін типтері, олар әртүрлі металл иондарын анықтау және терапиялық заттарды жобалау үшін қолданылған. GR 5 ДНК-зимі (қорғасынға тән), 39E ДНК-зимі (уранға тән) және NaA43 ДНК-зимі (натрийге тән) сияқты бірнеше металға тән ДНК-зимдер туралы хабарланған. Басқа металл иондарына қарағанда натрийге 10 000 есе артық таңдамалы NaA43 ДНК-зимі жасушаларда натрийдің нақты уақыт сенсорын жасау үшін қолданылды.

Биоинформатика

Биоинформатика биологиялық деректерді, оның ішінде ДНК нуклеин қышқылының тізбектерін сақтау, деректерді өндіру, іздеу және өңдеу техникаларын әзірлеуді қамтиды. Бұл компьютерлік ғылымда кеңінен қолданылатын жетістіктерге, әсіресе тізбектерді іздеу алгоритмдеріне, машиналық оқыту және деректер базасы теориясына әкелді. Тізбектерді іздеу немесе сәйкестіру алгоритмдері, яғни үлкен тізбектердің ішіндегі белгілі бір тізбекті табуға арналған алгоритмдер, нуклеотидтердің нақты тізбектерін іздеу үшін жасалған. ДНК тізбегін басқа ДНК тізбектерімен салыстыруға болады, бұл гомологты тізбектерді анықтау және оларды ерекшелейтін нақты мутацияларды табу үшін қажет. Бұл техникалар, әсіресе көп тізбекті салыстыру, филогенетикалық қатынастарды және белоктардың функциясын зерттеуде қолданылады. Адам геномы жобасында жасалған сияқты ДНК-ның толық геномдық тізбектерін қамтитын деректер жиынтықтарын, әр хромосомадағы гендер мен реттеуші элементтердің орналасқан жерін көрсететін түсіндірмелерсіз пайдалану қиын. Белок немесе РНК кодтайтын гендерге тән ерекше үлгілері бар ДНК тізбектерінің бөліктерін генді табу алгоритмдері арқылы анықтауға болады, бұл зерттеушілерге белгілі бір ген өнімдерінің болуын және олардың организмдегі мүмкін функцияларын тәжірибелік оқшаулауға дейін болжауға мүмкіндік береді. Сондай-ақ, толық геномдарды салыстыруға болады, бұл белгілі бір организмнің эволюциялық тарихы туралы мәліметтер береді және күрделі эволюциялық оқиғаларды зерттеуге мүмкіндік туғызады.

ДНК нанотехнологиясы

ДНҚ нанотехнологиясы ДНҚ-ның және басқа нуклеин қышқылдарының ерекше молекулалық тану қасиеттерін пайдаланып, пайдалы қасиеттері бар өздігінен жиналатын тармақталған ДНҚ кешендерін құрайды. Осылайша ДНҚ биологиялық ақпаратты жеткізуші ретінде емес, құрылымдық материал ретінде қолданылады. Бұл екі өлшемді периодтық торлардың (плиткаға негізделген және ДНҚ оригами әдісін қолдана отырып) және полиэдр пішіндес үш өлшемді құрылымдардың жасалуына әкелді. Наномеханикалық құрылғылар және алгоритмдік өздігінен жиналу да көрсетілді, сондай-ақ бұл ДНҚ құрылымдары алтын нанобөлшектері және стрептавидин ақуыздары сияқты басқа молекулалардың орналасу үлгісі ретінде пайдаланылды. ДНҚ және басқа нуклеин қышқылдары – аптамерлердің, яғни биотехнология және биомедицина салаларында қолданылатын нақты мақсатты молекулаларға арналған синтетикалық олигонуклеотид лигандтарының негізі болып табылады.

Тарих және антропология

ДНҚ уақыт өте келе мутацияларды жинақтап, олар кейіннен мұраға беріледі, сондықтан ол тарихи ақпаратты сақтайды. ДНҚ тізбектерін салыстыру арқылы генетиктер организмдердің эволюциялық тарихын, олардың филогенезін анықтай алады. Филогенетика саласы эволюциялық биологияда өте қуатты құрал болып табылады. Егер бір түр ішіндегі ДНҚ тізбектері салыстырылса, популяциялық генетиктер нақты популяциялардың тарихын зерттей алады. Бұл экологиялық генетикадан антропологияға дейінгі түрлі зерттеулерде қолданылады.

Ақпаратты сақтау

ДНҚ ақпарат сақтау құрылғысы ретінде зор мүмкіндіктерге ие, себебі ол электрондық құрылғылармен салыстырғанда әлдеқайда жоғары сақтау тығыздығын ұсынады. Дегенмен, жоғары құн, баяу оқу және жазу жылдамдығы (жадтың кешігу уақыты), сондай-ақ жеткіліксіз сенімділік оның іс жүзінде қолданылуына тосқауыл болып келеді.

Тарих

ДНҚ-ны алғаш рет 1869 жылы швейцариялық дәрігер Фридрих Мишер оқшаулаған. Ол жасуша ядроларында табылғандықтан, оны "нуклеин" деп атады. 1878 жылы Альбрехт Коссель "нуклеиннің" ақуыз емес компонентін – нуклеин қышқылын бөліп алды, кейін оның бес негізгі нуклеобазасын оқшаулады. 1909 жылы Фёб Левен РНК-ның (кейін "ашытқы нуклеин қышқылы" деп аталды) негіз, қант және фосфат нуклеотидтік бірлігін анықтады. 1929 жылы Левен "тимус нуклеин қышқылында" (ДНК) дезоксирибоза қантын анықтады. Левен ДНҚ-ның фосфат топтары арқылы байланысқан төрт нуклеотидтік бірліктен тұратын тізбек екенін болжады ("тетрануклеотидтік гипотеза"). Левен тізбектің қысқа және негіздердің белгілі бір ретпен қайталануын күткен. 1927 жылы Николай Колцов мұрагерлік белгілердің "екі айна тәрізді жіптен тұратын, әр жіптің үлгі ретінде пайдаланылып, жартылай консервативті жолмен көбейтілетін" "үлкен мұрагерлік молекула" арқылы берілетінін ұсынды. 1928 жылы Фредерик Гриффит экспериментінде өлген "тұйық" пневмококк бактерияларын тірі "жұйық" формамен қосу арқылы, "тұйық" бактериялардың қасиеттері "жұйық" формаға берілуі мүмкін екенін анықтады. Бұл жүйе ДНК-ның генетикалық ақпаратты таситындығын алғаш рет көрсетті. 1933 жылы Жан Брахет теңіз егесінің жұмыртқаларын зерттегенде ДНК жасуша ядросында, ал РНК цитоплазмада ғана болатынын анықтады. Сол кезде "ашытқы нуклеин қышқылы" (РНК) тек өсімдіктерде, ал "тимус нуклеин қышқылы" (ДНК) тек жануарларда кездеседі деп есептелді. Соңғысы тетрамер болып саналды және клеткалық pH деңгейін тұрақтандыру функциясын атқарады. 1937 жылы Уильям Астбери ДНК-ның реттелген құрылымын көрсеткен алғашқы рентгендік дифракциялық суреттерді жасады. 1943 жылы Освальд Эвери және оның әріптестері Колин МакЛеод пен Маклин МакКарти Гриффиттің болжамын растап, ДНК-ны трансформациялау принципі ретінде анықтады (Эвери-МакЛеод-МакКарти эксперименті). Эрвин Шаргафф қазір Шаргафф ережелері деп белгілі болған байқауларын жасап, жариялады: кез келген организмнің ДНК-сында гуанин мөлшері цитозинге, ал аденин мөлшері тиминге тең болуы керек. 1951 жылдың соңында Фрэнсис Крик Кембридж университетінің Кавендиш зертханасында Джеймс Уотсонмен жұмыс істей бастады. 1952 жылы Альфред Херши мен Марта Чейз Герши-Чейз эксперименті арқылы ДНК-ның энтеробактериялар фагы T2-нің генетикалық материалы екенін көрсетті, соның нәтижесінде ДНК-ның мұрагерліктегі рөлі расталды. 1952 жылдың мамырында Розалинд Франклиннің жетекшілігімен жұмыс істейтін аспирант Реймонд Гослинг ДНК-ның жоғары гидратацияланған деңгейінде "Фото 51" деп аталған рентгендік дифракциялық суретін түсірді. Бұл суретті Морис Уилкинс Уотсон мен Крикке берді, ол олардың ДНК-ның дұрыс құрылымын анықтауына өте маңызды болды. Франклин Крик пен Уотсонға омыртқаның сырт жағында орналасуы керектігін айтты. Одан бұрын Лайнус Полинг, Уотсон және Крик тізбектері ішкі және негіздері сыртқа бағытталған қате модельдер жасаған. Франклиннің ДНК кристалдарының кеңістіктік тобын анықтауы Крикке екі ДНК тізбегінің антипараллель екенін көрсетті. 1953 жылдың ақпанында Линус Полинг пен Роберт Кори үш өзара байланысқан тізбектен тұратын нуклеин қышқылдарының моделін ұсынды, онда фосфаттар оське жақын, ал негіздер сыртқа бағытталған. Уотсон мен Крик өздерінің моделін аяқтады, ол қазір ДНК-ның қос спиральді құрылымының алғашқы дұрыс моделі ретінде қабылданады. 1953 жылдың 28 ақпанында Крик Англияның Кембридж қаласындағы "The Eagle" пабында қонақтардың түскі асын үзіп, Уотсон екеуінің "өмірдің құпиясын ашқанын" жариялады. Nature журналының 1953 жылғы 25 сәуірдегі санында Уотсон мен Криктің ДНК-ның қос спиральді құрылымын және оны растайтын дәлелдерді сипаттайтын бес мақала жарияланды. Бұл құрылым туралы "НУКЛЕЙК КЫШҚЫЛДАРДЫҢ МОЛЕКУЛАРДЫҚ ҚҰРЫЛЫСЫ" деген тақырыптағы хатта былай делінген: "Біздің тұжырымдаған нақты жұптасу генетикалық материалдың көшірмелеу механизмін ұсынады". Содан кейін Уилкинс пен оның екі әріптесінің жазған хаты келді, онда В-ДНК рентгендік дифракциялық суреттерінің талдауы және Ватсон мен Крик құрылымының тірі организмде болуын растау туралы мәліметтер келтірілді. 1962 жылы Франклин қайтыс болғаннан кейін Уотсон, Крик және Уилкинс бірлесіп физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығын алды. Нобель сыйлығы тек тірі лауреаттарға ғана беріледі. Аталған жаңалықты кімге еңбек еткені туралы пікірталас әлі де жалғасуда. 1957 жылы өткен маңызды презентациясында Крик молекулярлық биологияның орталық догмасын баяндады, ол ДНК, РНК және белоктер арасындағы қатынасты болжады және "адапторлық гипотезаны" ұсынды. Қос спиральді құрылымнан туындаған көбейту механизміне қатысты нақты растау 1958 жылы Мезельсон-Сталь эксперименті арқылы алынды. Крик пен оның әріптестерінің қосымша жұмыстары генетикалық кодтың негіздердің үстінен жатқан үштіктеріне негізделгенін көрсетті, оларды кодондар деп атады, бұл Хар Гобинд Хорана, Роберт У. Холли және Маршалл Уоррен Ниренбергке генетикалық кодты түсіндіруге мүмкіндік берді. Бұл жаңалықтар молекулярлық биологияның тууына себеп болды. 1986 жылы ДНК-ны алғаш рет қылмыстық тергеу мақсатында қолданды, кезде УК полициясы Лестер университетінің Алек Джеффрисінен күдіктінің зорлау-қырқынына жасаған "мойындауын" растау не жоққа шығаруды сұрады. Бұл жағдайда күдікті екі зорлау-қырқынына мойындаған, бірақ кейіннен мойындауын қайтарып алған. Университет зертханаларында ДНК-ны тексеру күдіктінің бастапқы "мойындауының" дұрыс еместігін көрсетті және күдікті зорлау-қырқынынан босатылды.