Введение
Молекула, несущая генетическую информацию
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, скрученных вокруг друг друга, образуя двойную спираль. Этот полимер содержит генетические инструкции для развития, функционирования, роста и размножения всех известных организмов и многих вирусов. ДНК и рибонуклеиновая кислота (РНК) являются нуклеиновыми кислотами. Наряду с белками, липидами и сложными углеводами (полисахаридами), нуклеиновые кислоты относятся к четырем основным типам макромолекул, необходимых для всех известных форм жизни. Две цепи ДНК называются полинуклеотидами, поскольку состоят из более простых мономерных единиц – нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из одного из четырех азотсодержащих нуклеобаз (цитозина [C], гуанина [G], аденина [A] или тимина [T]), сахара дезоксирибозы и фосфатной группы. Нуклеотиды соединены друг с другом в цепь ковалентными связями (известными как фосфодиэфирная связь) между сахаром одного нуклеотида и фосфатом следующего, образуя чередующийся сахарофосфатный остов. Азотистые основания двух полинуклеотидных цепей связаны друг с другом в соответствии с правилами комплементарности (A с T и C с G) водородными связями, формируя двухцепочечную ДНК. Комплементарные азотистые основания делятся на две группы: однокольцевые пиримидины и двухкольцевые пурины. В ДНК пиримидины – это тимин и цитозин, а пурины – аденин и гуанин. Обе цепи двухцепочечной ДНК хранят одну и ту же биологическую информацию. Эта информация реплицируется при разделении двух цепей. Большая часть ДНК (более 98% у человека) является некодирующей, то есть эти участки не служат шаблонами для последовательностей белков. Две цепи ДНК ориентированы в противоположных направлениях относительно друг друга и, следовательно, являются антипараллельными. К каждому сахару присоединен один из четырех типов нуклеобаз (или оснований). Именно последовательность этих четырех нуклеобаз вдоль остова кодирует генетическую информацию. РНК-цепи создаются на основе ДНК-цепей в процессе, называемом транскрипцией, где основания ДНК заменяются на соответствующие основания, за исключением тимина (T), который в РНК замещается урацилом (U). В соответствии с генетическим кодом эти РНК-цепи определяют последовательность аминокислот в белках в процессе, называемом трансляцией. В эукариотических клетках ДНК организована в длинные структуры, называемые хромосомами. Перед типичным делением клетки эти хромосомы дублируются в процессе репликации ДНК, обеспечивая полный набор хромосом для каждой дочерней клетки. Эукариотические организмы (животные, растения, грибы и протисты) хранят большую часть своей ДНК внутри клеточного ядра в виде ядерной ДНК, а часть – в митохондриях в виде митохондриальной ДНК или в хлоропластах в виде хлоропластной ДНК. В отличие от них, прокариоты (бактерии и археи) хранят свою ДНК только в цитоплазме в виде кольцевых хромосом. Внутри эукариотических хромосом хроматиновые белки, такие как гистоны, компактизируют и организуют ДНК. Эти компактизированные структуры направляют взаимодействие между ДНК и другими белками, помогая контролировать, какие участки ДНК транскрибируются.
Свойства
ДНК — это длинный полимер, состоящий из повторяющихся единиц, называемых нуклеотидами. Структура ДНК динамична по всей длине, она способна скручиваться в плотные петли и другие формы. У всех видов она состоит из двух спиральных цепей, связанных друг с другом водородными связями. Обе цепи скручены вокруг одной и той же оси и имеют одинаковый шаг. Пара цепей имеет радиус в. Согласно другому исследованию, при измерении в другом растворе цепь ДНК измерялась в ширину, а одна нуклеотидная единица — в длину. Плотность плавучести большинства ДНК составляет 1,7 г/см³. ДНК обычно существует не в виде одной цепи, а в виде пары цепей, которые плотно связаны друг с другом. Эти две длинные цепи скручиваются вокруг друг друга, образуя двойную спираль. Нуклеотид содержит как сегмент основного скелета молекулы (который удерживает цепь вместе), так и нуклеооснование (которое взаимодействует с другой цепью ДНК в спирали). Нуклеооснование, связанное с сахаром, называется нуклеозидом, а основание, связанное с сахаром и одной или несколькими фосфатными группами, называется нуклеотидом. Биополимер, состоящий из множества связанных нуклеотидов (как в ДНК), называется полинуклеотидом. Основной скелет цепи ДНК состоит из чередующихся фосфатных и сахарных групп. Сахар в ДНК — это 2-дезоксирибоза, которая является пентозой (пятиуглеродным) сахаром. Сахара соединены фосфатными группами, которые образуют фосфодиэфирные связи между третьим и пятым атомами углерода соседних сахарных колец. Они известны как 3′-конец (три штрих-конец) и 5′-конец (пять штрих-конец), штрих используется для различения этих атомов углерода от атомов основания, с которым дезоксирибоза образует гликозидную связь. (анимированная версия). Двойная спираль ДНК стабилизируется главным образом двумя силами: водородными связями между нуклеотидами и взаимодействием между ароматическими нуклеооснованиями. Четыре основания, содержащиеся в ДНК, — это аденин, цитозин, гуанин и тимин. Эти четыре основания присоединены к сахарному фосфату, образуя полный нуклеотид, как показано на примере аденозинмонофосфата. Аденин образует пары с тимином, а гуанин — с цитозином, формируя и основания-пары.
Классификация нуклеобаз
Нуклеобазы подразделяются на два типа: пурины, а именно аденин и гуанин, которые являются слиянием пяти- и шестичленных гетероциклических соединений, и пиримидины, а именно цитозин и тимин (или урацил).
Станки
Две спиральные нити образуют основу ДНК. Другая двойная спираль может быть обнаружена, огибающая пространства, или бороздки, между нитями. Эти углубления примыкают к парам оснований и могут служить местом связывания. Поскольку нити расположены несимметрично относительно друг друга, бороздки имеют разную ширину. Большая бороздка широкая, а малая – узкая. Благодаря большей ширине большой бороздки, к краям оснований легче получить доступ в большой бороздке, чем в малой. В результате белки, такие как факторы транскрипции, способные связываться со специфическими последовательностями в двухцепочечной ДНК, обычно контактируют со сторонами оснований, экспонированными в большой бороздке. Эта ситуация может меняться при необычных конформациях ДНК внутри клетки (см. ниже), но большая и малая бороздки всегда называются в соответствии с различиями в ширине, которые можно было бы наблюдать, если бы ДНК вернулась в обычную B-форму.
Базовая сопряженность
Сверху – пара оснований с тремя водородными связями. Снизу – пара оснований с двумя водородными связями. Нековалентные водородные связи между парами показаны пунктирными линиями. В двойной спирали ДНК каждый тип нуклеотидного основания на одной цепи связывается только с одним типом нуклеотидного основания на другой цепи. Это называется комплементарным спариванием оснований. Пурины образуют водородные связи с пиримидинами, причем аденин связывается только с тимином двумя водородными связями, а цитозин – только с гуанином тремя водородными связями. Такое расположение двух нуклеотидов, связывающихся друг с другом через двойную спираль (от шестичленного углеродного кольца к шестичленному углеродному кольцу), называется парой оснований Уотсона — Крика. ДНК с высоким содержанием GC более стабильна, чем ДНК с низким содержанием. Пара оснований Хугстина (водородная связь между 6-м и 5-м углеродными кольцами) – редкая вариация спаривания оснований. Поскольку водородные связи не ковалентны, их можно относительно легко разрывать и восстанавливать. Таким образом, две цепи ДНК в двойной спирали можно разделить, как молнию, либо механической силой, либо при высокой температуре. В результате этой комплементарности спаривания оснований вся информация в двухцепочечной последовательности спирали ДНК дублируется на каждой цепи, что жизненно важно для репликации ДНК. Это обратимое и специфическое взаимодействие между комплементарными парами оснований критически важно для всех функций ДНК в организмах. В биологии участки двойной спирали ДНК, которые должны легко разделяться, такие как коробка Прибноу в некоторых промоторах, как правило, имеют высокое содержание, что облегчает разъединение цепей. В лаборатории силу этого взаимодействия можно измерить, определив температуру плавления Tm, необходимую для разрыва половины водородных связей. Когда все пары оснований в двойной спирали ДНК плавятся, цепи разделяются и существуют в растворе в виде двух полностью независимых молекул. Эти одноцепочечные молекулы ДНК не имеют единой общей формы, но некоторые конформации более стабильны, чем другие.
Сумма
У человека общий женский диплоидный ядерный геном в клетке составляет 6,37 гигабазисных пар (Gbp), имеет длину 208,23 см и вес 6,51 пикограмма (pg). Соответствующие показатели для мужчин – 6,27 Gbp, 205,00 см, 6,41 pg. ДНК состоит из пар оснований, и каждая такая молекула обычно содержит полный набор митохондриальных генов. Каждый человеческий митохондрий содержит в среднем приблизительно 5 таких молекул мтДНК.
Смысл и антисмысл
Последовательность ДНК называется "сенс"-последовательностью, если она идентична последовательности копии мРНК, которая транслируется в белок. Последовательность на комплементарной нити называется "антисенс"-последовательностью. И сенс-, и антисенс-последовательности могут существовать в разных участках одной и той же нити ДНК (то есть обе нити могут содержать как сенс-, так и антисенс-последовательности). Как у прокариот, так и у эукариот, образуются антисенс-РНК, но функции этих РНК до конца не выяснены. Одна из гипотез заключается в том, что антисенс-РНК участвуют в регуляции экспрессии генов посредством спаривания оснований РНК-РНК. Некоторые последовательности ДНК у прокариот и эукариот, а также в плазмидах и вирусах, стирают грань между сенс- и антисенс-нитями, имея перекрывающиеся гены. В этих случаях отдельные последовательности ДНК выполняют двойную роль, кодируя один белок при считывании по одной нити и другой белок при считывании в противоположном направлении по другой нити. У бактерий такое перекрытие может быть вовлечено в регуляцию транскрипции генов, а у вирусов перекрывающиеся гены увеличивают объем информации, который можно закодировать в небольшом вирусном геноме.
Сверхсмотка
ДНК может быть скручена подобно веревке в процессе, называемом суперспирализацией ДНК. В "расслабленном" состоянии нить обычно оборачивается вокруг оси двойной спирали примерно раз в каждые 10,4 пары оснований, но при скручивании ДНК нити становятся более туго или более слабо закрученными. Если ДНК скручивается в направлении спирали, это положительная суперспирализация, и основания удерживаются более плотно. Если скручивание происходит в противоположном направлении, это отрицательная суперспирализация, и основания легче разделяются. В природе большинство ДНК имеет небольшую отрицательную суперспирализацию, которая вводится ферментами, называемыми топоизомеразами. Эти ферменты также необходимы для снятия напряжений, возникающих при скручивании цепей ДНК во время таких процессов, как транскрипция и репликация ДНК.
Альтернативные структуры ДНК
ДНК существует во многих возможных конформациях, включая формы ДНК А, ДНК В и ДНК Z, хотя только ДНК В и ДНК Z были непосредственно обнаружены в функциональных организмах. В первых опубликованных отчетах о дифракционных картинах рентгеновских лучей ДНК А и ДНК В использовались анализы, основанные на функциях Паттерсона, которые предоставляли лишь ограниченное количество структурной информации об ориентированных волокнах ДНК. Альтернативный анализ был предложен Уилкинсом и соавторами в 1953 году для интерпретации дифракционных картин рассеяния рентгеновских лучей ДНК В *in vivo* высокогидратированных волокон ДНК, используя квадраты функций Бесселя. В том же журнале Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик представили результаты своего анализа молекулярного моделирования дифракционных картин рентгеновских лучей ДНК, предположив, что структура представляет собой двойную спираль. Это не строго определенная конформация, а семейство связанных конформаций ДНК, возникающих при высоких уровнях гидратации, характерных для клеток. Соответствующие дифракционные и рассеивающие картины для них типичны для молекулярных паракристаллов со значительной степенью беспорядка. По сравнению с ДНК В, форма ДНК А представляет собой более широкую спираль, закрученную вправо, с неглубокой широкой минорной бороздкой и более узкой, глубокой мажорной бороздкой. Форма А встречается в нефизиологических условиях в частично обезвоженных образцах ДНК, в то время как в клетке она может образовываться в гибридных парах ДНК и РНК, а также в комплексах ДНК с ферментами. Сегменты ДНК, основания которых были химически модифицированы метилированием, могут претерпевать значительные изменения в конформации и переходить в Z-форму. В этой форме цепи закручиваются вокруг спиральной оси в левую спираль, противоположную более распространенной форме B. Эти необычные структуры могут быть распознаны специфическими белками, связывающими Z-ДНК, и могут участвовать в регуляции транскрипции.
Альтернативная химия ДНК
На протяжении многих лет экзобиологи выдвигали гипотезу о существовании теневой биосферы – предполагаемой микробной биосферы Земли, использующей радикально отличающиеся от известных биохимические и молекулярные процессы. Одно из предложений касалось существования организмов, использующих мышьяк вместо фосфора в ДНК. В 2010 году было опубликовано сообщение о такой возможности в отношении бактерии GFAJ 1, однако исследование было подвергнуто критике, и данные указывают на то, что бактерия активно препятствует включению мышьяка в структуру ДНК и другие биомолекулы.
Структуры четырехэтажные
На концах линейных хромосом расположены специализированные участки ДНК, называемые теломерами. Основная функция этих участков – позволять клетке реплицировать концы хромосом с помощью фермента теломеразы, поскольку ферменты, обычно реплицирующие ДНК, не могут копировать самые концы 3'-концов хромосом. Эти специализированные защитные колпачки хромосом также помогают защитить концы ДНК и предотвращают распознавание их системами репарации ДНК в клетке как повреждений, подлежащих исправлению. В клетках человека теломеры обычно представляют собой участки одноцепочечной ДНК, содержащие несколько тысяч повторов простой последовательности TTAGGG. Эти богатые гуанином последовательности могут стабилизировать концы хромосом, формируя структуры из сложенных наборов из четырех нуклеотидов, а не обычных пар оснований, встречающихся в других молекулах ДНК. Здесь четыре гуаниновых основания, известные как гуаниновая тетрада, образуют плоскую пластинку. Эти четыре плоские нуклеотидные единицы затем укладываются друг на друга, формируя стабильную G-квадруплексную структуру. Эти структуры стабилизируются водородными связями между краями оснований и хелатированием иона металла в центре каждой четверки нуклеотидов. Могут формироваться и другие структуры, в которых центральный набор из четырех оснований состоит либо из одной цепи, свернутой вокруг оснований, либо из нескольких параллельных цепей, каждая из которых вносит один нуклеотид в центральную структуру. Помимо этих сложенных структур, теломеры также образуют крупные петлевые структуры, называемые теломерными петлями или Т-петлями. Здесь одноцепочечная ДНК скручивается в длинный круг, стабилизированный белками, связывающими теломеры. На самом конце Т-петли одноцепочечная теломерная ДНК удерживается на участке двухцепочечной ДНК за счет нарушения двойной спирали ДНК и образования пар оснований с одной из двух цепей. Эта трехцепочечная структура называется петлей вытеснения или D-петлей. Разветвленная ДНК может использоваться в нанотехнологиях для создания геометрических форм, см. раздел о применении в технологиях ниже.
Искусственные основания
Несколько искусственных нуклеобаз были синтезированы и успешно включены в восьмибазовый аналог ДНК, названный ДНК Хачимоджи. Эти искусственные основания, получившие названия S, B, P и Z, способны связываться друг с другом предсказуемым образом (S–B и P–Z), поддерживать двойную спиральную структуру ДНК и транскрибироваться в РНК. Их существование можно рассматривать как свидетельство того, что нет ничего особенного в четырех природных нуклеобазах, эволюционировавших на Земле. С другой стороны, ДНК тесно связана с РНК, которая не только служит матрицей для ДНК, но и выполняет множество задач в клетках, функционируя как молекулярные машины. Для этого ей необходимо сворачиваться в определенную структуру. Было показано, что для создания всех возможных структур соответствующей РНК требуется как минимум четыре основания, хотя возможно и большее их количество, но это противоречит естественному принципу минимизации усилий.
Кислота
Фосфатные группы ДНК придают ей кислотные свойства, сходные с фосфорной кислотой, и её можно рассматривать как сильную кислоту. Она будет полностью ионизирована при нормальном клеточном pH, высвобождая протоны, что оставляет отрицательный заряд на фосфатных группах. Эти отрицательные заряды защищают ДНК от расщепления гидролизом, отталкивая нуклеофилы, способные её гидролизовать.
Макроскопический вид
Чистая ДНК, выделенная из клеток, образует белые, волокнистые комки.
Модификации базы и упаковка ДНК
На экспрессию генов влияет то, как ДНК упакована в хромосомах, в структуре, называемой хроматином. Модификации оснований могут участвовать в упаковке, при этом регионы с низкой или отсутствующей экспрессией генов обычно содержат высокий уровень метилирования оснований цитозина. Упаковка ДНК и ее влияние на экспрессию генов также может происходить за счет ковалентных модификаций белкового ядра гистонов, вокруг которого ДНК обернута в структуру хроматина, или посредством ремоделирования, осуществляемого комплексами ремоделирования хроматина (см. Ремоделирование хроматина). Кроме того, существует взаимодействие между метилированием ДНК и модификацией гистонов, благодаря чему они могут координированно влиять на хроматин и экспрессию генов. Например, метилирование цитозина приводит к образованию 5-метилцитозина, который играет важную роль в инактивации Х-хромосомы. Средний уровень метилирования варьируется у разных организмов: нематода Caenorhabditis elegans не имеет метилирования цитозина, в то время как у позвоночных он выше, и до 1% их ДНК содержит 5-метилцитозин. Несмотря на важность 5-метилцитозина, он может деаминироваться с образованием тимина, поэтому метилированные цитозины особенно подвержены мутациям. Другие модификации оснований включают метилирование аденина у бактерий, наличие 5-гидроксиметилцитозина в мозге и гликозилирование урацила с образованием "J-основания" у кинетопластид.
Ущерб
ДНК может быть повреждена множеством мутагенов, которые изменяют последовательность ДНК. Мутагены включают окислители, алкилирующие агенты, а также высокоэнергетическое электромагнитное излучение, такое как ультрафиолетовый свет и рентгеновские лучи. Тип повреждения ДНК зависит от типа мутагена. Например, ультрафиолетовый свет может повреждать ДНК, образуя тиминные димеры – перекрестные связи между пиримидиновыми основаниями. С другой стороны, окислители, такие как свободные радикалы или перекись водорода, вызывают различные формы повреждений, включая модификации оснований, особенно гуанозина, и разрывы обеих нитей ДНК. Типичная человеческая клетка содержит около 150 000 оснований, подвергшихся окислительному повреждению. Среди этих окислительных повреждений наиболее опасны разрывы обеих нитей, поскольку их трудно восстановить, и они могут приводить к точечным мутациям, вставкам, делециям в последовательности ДНК и хромосомным транслокациям. Эти мутации могут вызывать рак. Из-за присущих ограничений механизмов восстановления ДНК, если бы люди жили достаточно долго, у всех в конечном итоге развился бы рак. Повреждения ДНК также возникают естественным путем в результате нормальных клеточных процессов, производящих реактивные формы кислорода, гидролитической активности клеточной воды и т.п., и происходят довольно часто. Хотя большинство этих повреждений восстанавливается, в любой клетке некоторое повреждение ДНК может сохраняться, несмотря на действие механизмов восстановления. Эти остаточные повреждения ДНК накапливаются с возрастом в постмитотических тканях млекопитающих. Это накопление, по-видимому, является важной причиной старения. Многие мутагены встраиваются в пространство между двумя соседними парами оснований, этот процесс называется интеркаляцией. Большинство интеркаляторов – ароматические и плоские молекулы, например, бромид этидия, акридины, дауномицин и доксорубицин. Чтобы интеркалятор поместился между парами оснований, основания должны разойтись, искажая нити ДНК за счет раскручивания двойной спирали. Это подавляет как транскрипцию, так и репликацию ДНК, вызывая токсичность и мутации. В результате интеркаляторы ДНК могут быть канцерогенами, а в случае с талидомидом – тератогенами. Другие, такие как диолэпоксид бензо[a]пирена и афлатоксины, образуют аддукты ДНК, вызывающие ошибки при репликации. Тем не менее, благодаря способности ингибировать транскрипцию и репликацию ДНК, подобные токсины также используются в химиотерапии для подавления быстрорастущих раковых клеток.
Биологические функции
ДНК обычно встречается в виде линейных хромосом у эукариотов и кольцевых хромосом у прокариотов. Набор хромосом в клетке составляет её геном; геном человека содержит приблизительно 3 миллиарда пар оснований ДНК, организованных в 46 хромосом. Генетическая информация в геноме заключена в генах, а полный набор этой информации в организме называется его генотипом. Ген – это единица наследственности и участок ДНК, который влияет на определенную характеристику организма. Гены содержат открытую рамку считывания, которая может быть транскрибирована, а также регуляторные последовательности, такие как промоторы и энхансеры, которые контролируют транскрипцию открытой рамки считывания. У многих видов лишь небольшая часть общей последовательности генома кодирует белок. Например, только около 1,5% генома человека состоит из белкокодирующих экзонов, при этом более 50% человеческой ДНК составляют некодирующие повторяющиеся последовательности. Причины наличия такого большого количества некодирующей ДНК в геномах эукариотов и значительные различия в размерах генома, или C-значении, между видами, представляют собой давнюю загадку, известную как «Энигма C-значения». Однако некоторые последовательности ДНК, не кодирующие белки, всё же могут кодировать функциональные некодирующие молекулы РНК, участвующие в регуляции экспрессии генов. Некоторые некодирующие последовательности ДНК играют структурную роль в хромосомах. Теломеры и центромеры обычно содержат мало генов, но важны для функции и стабильности хромосом. Одной из распространенных форм некодирующей ДНК у людей являются псевдогены – это копии генов, которые были инактивированы мутацией. Эти последовательности обычно представляют собой молекулярные окаменелости, хотя иногда они могут служить исходным генетическим материалом для создания новых генов посредством дупликации и дивергенции генов.
Транскрипция и перевод
Ген — это последовательность ДНК, содержащая генетическую информацию и способная влиять на фенотип организма. Внутри гена последовательность оснований вдоль цепи ДНК определяет последовательность мРНК, которая, в свою очередь, определяет одну или несколько последовательностей белка. Связь между нуклеотидными последовательностями генов и аминокислотными последовательностями белков определяется правилами трансляции, известными в совокупности как генетический код. Генетический код состоит из трехбуквенных «слов», называемых кодонами, формируемых последовательностью из трех нуклеотидов (например, ACT, CAG, TTT). В процессе транскрипции кодоны гена копируются в мРНК с помощью РНК-полимеразы. Эта РНК-копия затем декодируется рибосомой, которая считывает последовательность РНК, осуществляя комплементарное спаривание оснований мРНК с тРНК, переносящей аминокислоты. Поскольку существует 4 основания в трехбуквенных комбинациях, существует 64 возможных кодона (4 в кубе комбинаций). Они кодируют двадцать стандартных аминокислот, при этом для большинства аминокислот существует более одного кодона. Также существуют три «стоп»- или «нонсенс»-кодона, обозначающих конец кодирующей области: это кодоны TAG, TAA и TGA (UAG, UAA и UGA на мРНК).
Репликация
Деление клеток необходимо для роста организма, но когда клетка делится, она должна реплицировать ДНК в своем геноме, чтобы две дочерние клетки имели ту же генетическую информацию, что и родительская клетка. Двойная спиральная структура ДНК обеспечивает простой механизм репликации. При этом две цепи разделяются, а затем комплементарная последовательность ДНК каждой цепи воссоздается ферментом, называемым ДНК-полимеразой. Этот фермент синтезирует комплементарную цепь, находя соответствующее основание посредством комплементарного спаривания оснований и присоединяя его к исходной цепи. Поскольку ДНК-полимеразы могут удлинять цепь ДНК только в направлении от 5′ к 3′, для копирования антипараллельных цепей двойной спирали используются различные механизмы. Таким образом, основание на исходной цепи определяет, какое основание появится на новой цепи, и клетка в итоге получает точную копию своей ДНК.
Экстраклеточные нуклеиновые кислоты
Голая внеклеточная ДНК (eDNA), большая часть которой высвобождается при гибели клеток, почти повсеместно встречается в окружающей среде. Ее концентрация в почве может достигать 2 мкг/л, а в естественных водных средах – до 88 мкг/л. Для eDNA предложено несколько возможных функций: она может участвовать в горизонтальном переносе генов, служить источником питательных веществ, а также действовать как буфер для привлечения или титрования ионов или антибиотиков. Внеклеточная ДНК выступает в качестве функционального компонента внеклеточного матрикса в биофильмах ряда бактериальных видов. Она может служить фактором распознавания, регулирующим прикрепление и рассеивание определенных типов клеток в биофильме, способствовать формированию биофильма, а также повышать его физическую прочность и устойчивость к биологическому стрессу. Безклеточная ДНК плода обнаруживается в крови матери и может быть секвенирована для получения обширной информации о развивающемся плоде. Под названием экологической ДНК (environmental DNA) eDNA все шире используется в естественных науках как инструмент для экологических исследований, мониторинга перемещения и присутствия видов в воде, воздухе или на суше, а также для оценки биоразнообразия территории.
Внеклеточные ловушки для нейтрофилов
Внеклеточные ловушки нейтрофилов (NET) — это сети внеклеточных волокон, состоящие преимущественно из ДНК, которые позволяют нейтрофилам, типу лейкоцитов, уничтожать внеклеточные патогены, минимизируя повреждение клеток организма.
Взаимодействие с белками
Все функции ДНК зависят от взаимодействий с белками. Эти белковые взаимодействия могут быть неспецифическими, либо белок может специфически связываться с определенной последовательностью ДНК. Ферменты также способны связываться с ДНК, и среди них особо важное значение имеют полимеразы, копирующие последовательность нуклеотидов ДНК в процессах транскрипции и репликации ДНК.
белки, связывающие ДНК
Структурные белки, связывающие ДНК, являются хорошо изученными примерами неспецифических взаимодействий белок-ДНК. Внутри хромосом ДНК находится в комплексах со структурными белками. Эти белки организуют ДНК в компактную структуру, называемую хроматином. У эукариот эта структура включает связывание ДНК с комплексом небольших основных белков, называемых гистонами, в то время как у прокариот задействовано несколько типов белков. Гистоны формируют дисковидный комплекс, называемый нуклеосомой, который содержит два полных витка двухцепочечной ДНК, обернутой вокруг его поверхности. Эти неспецифические взаимодействия формируются за счет основных аминокислотных остатков в гистонах, образующих ионные связи с кислотным сахарно-фосфатным остовом ДНК и, таким образом, в значительной степени не зависят от последовательности оснований. Химические модификации этих основных аминокислотных остатков включают метилирование, фосфорилирование и ацетилирование. Эти химические изменения влияют на прочность взаимодействия между ДНК и гистонами, делая ДНК более или менее доступной для факторов транскрипции и изменяя скорость транскрипции. Другие неспецифические белки, связывающие ДНК в хроматине, включают белки группы высокой подвижности, которые связываются с изогнутой или искаженной ДНК. Эти белки важны для сгибания рядов нуклеосом и организации их в более крупные структуры, составляющие хромосомы. Отдельной группой белков, связывающих ДНК, являются белки, специфически связывающие одноцепочечную ДНК. У человека репликационный белок А является наиболее хорошо изученным представителем этого семейства и используется в процессах, где двойная спираль разделяется, включая репликацию ДНК, рекомбинацию и репарацию ДНК. Эти связывающие белки, по-видимому, стабилизируют одноцепочечную ДНК и защищают ее от образования шпилек или деградации нуклеазами. В отличие от них, другие белки эволюционировали для связывания с определенными последовательностями ДНК. Наиболее интенсивно изучены различные факторы транскрипции – белки, регулирующие транскрипцию. Каждый фактор транскрипции связывается с определенным набором последовательностей ДНК и активирует или ингибирует транскрипцию генов, имеющих эти последовательности вблизи своих промоторов. Факторы транскрипции делают это двумя способами. Во-первых, они могут связываться с РНК-полимеразой, ответственной за транскрипцию, либо непосредственно, либо через другие медиаторные белки, что позволяет полимеразе занять позицию у промотора и начать транскрипцию. Альтернативно, факторы транскрипции могут связываться с ферментами, модифицирующими гистоны в промоторе, что изменяет доступность матрицы ДНК для полимеразы. Поскольку эти ДНК-мишени могут встречаться по всему геному организма, изменения в активности одного типа фактора транскрипции могут влиять на тысячи генов. Следовательно, эти белки часто являются мишенями процессов передачи сигналов, контролирующих реакции на изменения окружающей среды или клеточную дифференцировку и развитие. Специфичность взаимодействия этих факторов транскрипции с ДНК обусловлена тем, что белки образуют множественные контакты с краями оснований ДНК, позволяя им "считывать" последовательность ДНК. Большинство этих взаимодействий оснований происходит в большой бороздке, где основания наиболее доступны.
Нуклеазы и лигазы
Нуклеазы – это ферменты, которые разрезают цепи ДНК, катализируя гидролиз фосфодиэфирных связей. Нуклеазы, гидролизующие нуклеотиды с концов цепей ДНК, называются экзонуклеазами, а эндонуклеазы разрезают цепи внутри. Наиболее часто используемыми нуклеазами в молекулярной биологии являются рестрикционные эндонуклеазы, которые разрезают ДНК в специфических последовательностях. Например, фермент EcoRV, показанный слева, распознает 6-нуклеотидную последовательность 5′ GATATC 3′ и делает разрез по горизонтальной линии. В природе эти ферменты защищают бактерии от фаговой инфекции, расщепляя ДНК фагов при их проникновении в бактериальную клетку, действуя как часть системы рестрикции-модификации. В технологиях эти нуклеазы, специфичные к последовательностям, используются в молекулярном клонировании и ДНК-секвенировании. Ферменты, называемые ДНК-лигазами, способны соединять разрезанные или поврежденные цепи ДНК. Лигазы особенно важны при репликации ДНК на отстающей цепи, поскольку они соединяют короткие фрагменты ДНК, образующиеся на репликативной вилке, в полную копию ДНК-матрицы. Они также используются в репарации ДНК и генетической рекомбинации. Топоизомеразы необходимы для многих процессов, связанных с ДНК, таких как репликация и транскрипция ДНК. Эти ферменты необходимы для большинства процессов, в которых другим ферментам требуется доступ к основаниям ДНК.
Полимеразы
Полимеразы – ферменты, синтезирующие полинуклеотидные цепи из нуклеозидных трифосфатов. Последовательность их продуктов создается на основе существующих полинуклеотидных цепей, называемых матрицами. Эти ферменты функционируют, многократно добавляя нуклеотид к 3'-гидроксильной группе на конце растущей полинуклеотидной цепи. В результате все полимеразы работают в направлении от 5′ до 3′. В активном центре этих ферментов входящий нуклеозидный трифосфат образует комплементарные пары оснований с матрицей, что позволяет полимеразам точно синтезировать комплементарную нить матрицы. Полимеразы классифицируются в зависимости от типа используемой ими матрицы. При репликации ДНК ДНК-зависимые ДНК-полимеразы создают копии полинуклеотидных цепей ДНК. Для сохранения биологической информации необходимо, чтобы последовательность оснований в каждой копии точно соответствовала последовательности оснований в матричной цепи. Многие ДНК-полимеразы обладают активностью коррекции (пруф-ридинга). Здесь полимераза распознает случайные ошибки в реакции синтеза по отсутствию спаривания оснований между несовпадающими нуклеотидами. При обнаружении несовпадения активируется 3′–5′-экзонуклеазная активность и удаляется неправильное основание. В большинстве организмов ДНК-полимеразы функционируют в составе крупного комплекса, называемого реплисомой, который содержит множество дополнительных субъединиц, таких как скользящий зажим (DNA clamp) или геликазы. РНК-зависимые ДНК-полимеразы – это специализированный класс полимераз, копирующих последовательность РНК-цепи в ДНК. К ним относятся обратная транскриптаза – вирусный фермент, участвующий в инфицировании клеток ретровирусами, и теломераза, необходимая для репликации теломер. Например, обратная транскриптаза ВИЧ является ферментом, обеспечивающим репликацию вируса иммунодефицита человека.
Генетическая рекомбинация
Структура промежуточного соединения Холлидея при генетической рекомбинации. Четыре отдельные цепи ДНК окрашены в красный, синий, зеленый и желтый цвета. ДНК-спираль обычно не взаимодействует с другими сегментами ДНК, а в клетках человека различные хромосомы даже занимают отдельные области в ядре, называемые «хромосомными территориями». Это физическое разделение различных хромосом важно для способности ДНК функционировать как стабильное хранилище информации, поскольку одно из немногих случаев взаимодействия хромосом происходит во время кроссинговера, который возникает при половом размножении, когда происходит генетическая рекомбинация. Кроссинговер – это когда две спирали ДНК разрываются, обмениваются участком и затем воссоединяются. Рекомбинация позволяет хромосомам обмениваться генетической информацией и создавать новые комбинации генов, что повышает эффективность естественного отбора и может быть важным фактором в быстрой эволюции новых белков. Генетическая рекомбинация также может быть вовлечена в репарацию ДНК, особенно в ответ клетки на разрывы двойных нитей. Наиболее распространенной формой кроссинговера является гомологичная рекомбинация, при которой две участвующие хромосомы имеют очень похожие последовательности. Негомологичная рекомбинация может быть вредной для клеток, поскольку она может приводить к хромосомным транслокациям и генетическим аномалиям. Реакция рекомбинации катализируется ферментами, известными как рекомбиназы, такими как RAD51. Первый этап рекомбинации – это разрыв двойной нити, вызванный эндонуклеазой или повреждением ДНК. Последовательность этапов, частично катализируемых рекомбиназой, затем приводит к соединению двух спиралей посредством как минимум одного соединения Холлидея, в котором сегмент одной цепи в каждой спирали отжигается к комплементарной цепи в другой спирали. Соединение Холлидея представляет собой тетраэдрическую структуру соединения, которая может перемещаться вдоль пары хромосом, обменивая одну цепь на другую. Реакция рекомбинации затем останавливается путем расщепления соединения и религации высвобожденной ДНК. Во время рекомбинации обмениваются только цепи с одинаковой полярностью. Существует два типа расщепления: восточно-западное и северно-южное. Северно-южное расщепление разрывает обе цепи ДНК, в то время как восточно-западное расщепление оставляет одну цепь ДНК неповрежденной. Формирование соединения Холлидея во время рекомбинации обеспечивает генетическое разнообразие, обмен генами на хромосомах и экспрессию геномов вирусов дикого типа.
Эволюция
ДНК содержит генетическую информацию, позволяющую всем формам жизни функционировать, расти и размножаться. Однако неясно, как долго в 4-миллиардной истории жизни ДНК выполняла эту функцию, поскольку предполагается, что самые ранние формы жизни могли использовать РНК в качестве генетического материала. РНК могла выступать центральным элементом раннего клеточного метаболизма, поскольку способна как передавать генетическую информацию, так и осуществлять катализ в составе рибозимов. Этот древний мир РНК, где нуклеиновая кислота использовалась и для катализа, и для генетики, мог повлиять на эволюцию современного генетического кода, основанного на четырех нуклеотидных основаниях. Это могло произойти, поскольку количество различных оснований в таком организме представляет собой компромисс между небольшим числом оснований, повышающим точность репликации, и большим числом оснований, повышающим каталитическую эффективность рибозимов. Однако прямых доказательств существования древних генетических систем нет, поскольку извлечение ДНК из большинства ископаемых образцов невозможно: ДНК сохраняется в окружающей среде менее миллиона лет и медленно распадается на короткие фрагменты в растворе. Имеются заявления о более древней ДНК, наиболее заметным из которых является сообщение об выделении жизнеспособной бактерии из соляного кристалла возрастом 250 миллионов лет, однако эти заявления вызывают споры. Строительные блоки ДНК (аденин, гуанин и связанные с ними органические молекулы) могли образоваться вне Земли, в космическом пространстве. Сложные органические соединения ДНК и РНК, включая урацил, цитозин и тимин, также были синтезированы в лаборатории в условиях, имитирующих космические, с использованием исходных химических веществ, таких как пиримидин, обнаруженного в метеоритах. Пиримидин, как и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) – самое углеродосодержащее химическое вещество, найденное во Вселенной, – мог образоваться в красных гигантах или в межзвездных облаках космической пыли и газа. В феврале 2021 года ученые впервые сообщили о секвенировании ДНК из останков животных, а именно мамонта, возраст которого превышает миллион лет – это самая древняя на сегодняшний день секвенированная ДНК.
Генетическая инженерия
Были разработаны методы выделения ДНК из организмов, такие как экстракция фенолом и хлороформом, и манипулирования ею в лаборатории, такие как рестрикционные переваривания и полимеразная цепная реакция. Современная биология и биохимия активно используют эти методы в технологии рекомбинантной ДНК. Рекомбинантная ДНК – это искусственно созданная последовательность ДНК, собранная из других последовательностей ДНК. Ее можно вводить в организмы в форме плазмид или в подходящем формате, используя вирусный вектор. Полученные генетически модифицированные организмы могут использоваться для производства продуктов, таких как рекомбинантные белки, применяемые в медицинских исследованиях, или для выращивания в сельском хозяйстве.
Профилирование ДНК
Судебные эксперты могут использовать ДНК, обнаруженную в крови, сперме, коже, слюне или волосах на месте преступления, для идентификации соответствующей ДНК конкретного человека, например, преступника. Этот процесс официально называется ДНК-профилированием, также известным как ДНК-дактилоскопия. При ДНК-профилировании сравниваются длины вариабельных участков повторяющейся ДНК, таких как короткие тандемные повторы и минисателлиты, у разных людей. Этот метод обычно является чрезвычайно надежным способом идентификации совпадающей ДНК. Однако идентификация может быть затруднена, если место преступления загрязнено ДНК нескольких человек. ДНК-профилирование было разработано в 1984 году британским генетиком сэром Алеком Джеффрисом и впервые применено в криминалистике для осуждения Колина Пичфорка в деле об убийствах в Эндерби в 1988 году. Развитие судебной экспертизы и возможность получения генетического соответствия по незначительным образцам крови, кожи, слюны или волос привели к пересмотру многих дел. Теперь можно обнаружить доказательства, которые были научно недоступны во время первоначального расследования. В сочетании с отменой принципа двойной опасности в некоторых юрисдикциях это может позволить возобновить дела, в которых предыдущие судебные разбирательства не смогли предоставить достаточных доказательств для убеждения присяжных. Лица, обвиняемые в тяжких преступлениях, могут быть обязаны предоставить образец ДНК для целей сопоставления. Наиболее очевидной защитой от результатов ДНК-экспертизы является утверждение о перекрестном загрязнении доказательств. Это привело к внедрению строгих и тщательных процедур обращения с доказательствами в новых делах о тяжких преступлениях. ДНК-профилирование также успешно используется для установления личности жертв массовых катастроф, тел или частей тел в серьезных авариях, а также отдельных жертв в массовых братских могилах путем сопоставления с родственниками. ДНК-профилирование также применяется при установлении отцовства, чтобы определить, является ли человек биологическим родителем или дедушкой/бабушкой ребенка, причем вероятность отцовства обычно составляет 99,99%, если предполагаемый родитель биологически связан с ребенком. Обычно секвенирование ДНК проводится после рождения, но существуют новые методы определения отцовства во время беременности матери.
ДНК-ферменты или каталитическая ДНК
Дезоксирибозимы, также называемые ДНК-зимами или каталитической ДНК, были впервые обнаружены в 1994 году. Это в основном одноцепочечные последовательности ДНК, выделенные из большого пула случайных последовательностей ДНК с помощью комбинаторного подхода, называемого in vitro-селекцией или систематической эволюцией лигандов экспоненциальным обогащением (SELEX). ДНК-зимы катализируют разнообразные химические реакции, включая расщепление РНК и ДНК, лигирование РНК и ДНК, фосфорилирование и дефосфорилирование аминокислот, образование углерод-углеродных связей и т.д. ДНК-зимы могут увеличивать каталитическую скорость химических реакций до 100 000 000 000 раз по сравнению с некатализируемой реакцией. Наиболее изученным классом ДНК-зим являются типы, расщепляющие РНК, которые использовались для обнаружения различных ионов металлов и разработки терапевтических средств. Сообщалось о нескольких металл-специфичных ДНК-зимах, включая ДНК-зим GR-5 (специфичный к свинцу), ДНК-зим 39E (специфичный к урану) и ДНК-зим NaA43 (специфичный к натрию). ДНК-зим NaA43, который, как сообщается, более чем в 10 000 раз селективен к натрию по сравнению с другими ионами металлов, был использован для создания датчика натрия в клетках в режиме реального времени.
Биоинформатика
Биоинформатика включает разработку методов хранения, извлечения, поиска и обработки биологических данных, включая данные о последовательности нуклеиновых кислот ДНК. Это привело к значительным достижениям в информатике, особенно в области алгоритмов поиска подстрок, машинного обучения и теории баз данных. Алгоритмы поиска или сопоставления подстрок, которые находят вхождение последовательности символов в более длинной последовательности, были разработаны для поиска конкретных последовательностей нуклеотидов. Последовательность ДНК может быть выровнена с другими последовательностями ДНК для идентификации гомологичных последовательностей и определения специфических мутаций, которые их различают. Эти методы, особенно множественное выравнивание последовательностей, используются для изучения филогенетических связей и функций белков. Наборы данных, представляющие геномы в полном объеме, такие как полученные в рамках проекта «Геном человека», сложно использовать без аннотаций, определяющих местоположение генов и регуляторных элементов на каждой хромосоме. Области последовательности ДНК, обладающие характерными паттернами, связанными с генами, кодирующими белки или РНК, могут быть идентифицированы алгоритмами поиска генов, позволяющими исследователям предсказывать наличие определенных продуктов генов и их возможные функции в организме еще до экспериментальной изоляции. Также возможно сравнивать целые геномы, что позволяет пролить свет на эволюционную историю конкретного организма и изучать сложные эволюционные события.
Нанотехнология ДНК
Нанотехнология ДНК использует уникальные свойства молекулярного распознавания ДНК и других нуклеиновых кислот для создания самособирающихся разветвленных комплексов ДНК с полезными свойствами. Таким образом, ДНК используется как структурный материал, а не как носитель биологической информации. Это привело к созданию двухмерных периодических решеток (как на основе плитки, так и с использованием метода ДНК-оригами) и трехмерных структур в форме многогранников. Также были продемонстрированы наномеханические устройства и алгоритмическая самосборка, а эти ДНК-структуры использовались в качестве матрицы для упорядочения других молекул, таких как наночастицы золота и белки стрептавидина. ДНК и другие нуклеиновые кислоты являются основой аптамеров – синтетических олигонуклеотидных лигандов для специфических целевых молекул, применяемых в широком спектре биотехнологических и биомедицинских приложений.
История и антропология
Поскольку ДНК накапливает мутации со временем, которые затем передаются по наследству, она содержит историческую информацию, и, сравнивая последовательности ДНК, генетики могут реконструировать эволюционную историю организмов, их филогенетическое древо. Эта область филогенетики – мощный инструмент в эволюционной биологии. Сравнивая последовательности ДНК внутри вида, популяционные генетики могут узнать историю отдельных популяций. Это находит применение в исследованиях, охватывающих широкий спектр дисциплин – от экологической генетики до антропологии.
Хранение информации
ДНК как носитель информации обладает огромным потенциалом, поскольку имеет значительно более высокую плотность хранения данных по сравнению с электронными устройствами. Однако высокая стоимость, медленная скорость чтения и записи (задержка доступа к памяти) и недостаточная надёжность до сих пор препятствуют её практическому применению.
История
ДНК была впервые выделена швейцарским врачом Фридрихом Мишером, который в 1869 году обнаружил микроскопическое вещество в гное отброшенных хирургических повязок. Поскольку оно находилось в ядрах клеток, он назвал его "нуклеином". В 1878 году Альбрехт Коссель изолировал небелковый компонент "нуклеина", нуклеиновую кислоту, а позже изолировал пять ее основных нуклеобаз. В 1909 году Фёбус Левен идентифицировал базовый, сахарный и фосфатный нуклеотидный фрагмент РНК (тогда называвшейся "дрожжевой нуклеиновой кислотой"). В 1929 году Левен идентифицировал сахар дезоксирибозу в "тимусовой нуклеиновой кислоте" (ДНК). Левен предположил, что ДНК состоит из цепочки из четырех нуклеотидных фрагментов, связанных друг с другом через фосфатные группы ("тетрануклеотидная гипотеза"). Левен считал, что цепочка короткая, а основания повторяются в фиксированном порядке. В 1927 году Николай Кольцов предположил, что наследственные признаки будут передаваться через "гигантскую наследственную молекулу", состоящую из "двух зеркальных нитей, которые будут реплицироваться полуконсервативным способом, используя каждую нить в качестве матрицы". В 1928 году Фредерик Гриффит в своем эксперименте обнаружил, что признаки "гладкой" формы пневмококка могут быть переданы "шероховатой" форме той же бактерии путем смешивания убитых "гладких" бактерий с живой "шероховатой" формой. Эта система дала первое четкое указание на то, что ДНК несет генетическую информацию. В 1933 году, изучая яйцеклетки морских ежей, Жан Браше предположил, что ДНК находится в ядре клетки, а РНК присутствует исключительно в цитоплазме. В то время считалось, что "дрожжевая нуклеиновая кислота" (РНК) встречается только у растений, а "тимусовая нуклеиновая кислота" (ДНК) – только у животных. Последняя считалась тетрамером, выполняющим функцию буферизации клеточного pH. В 1937 году Уильям Астбери получил первые дифрактограммы рентгеновских лучей, которые показали, что ДНК имеет регулярную структуру. В 1943 году Освальд Эйвери вместе с коллегами Колином МакЛеодом и Маклином Маккарти идентифицировал ДНК как трансформирующий принцип, подтверждая предположение Гриффита (эксперимент Эйвери–МакЛеода–Маккарти). Эрвин Чаргафф разработал и опубликовал наблюдения, известные как правила Чаргаффа, утверждающие, что в ДНК любого вида любого организма количество гуанина должно быть равно количеству цитозина, а количество аденина должно быть равно количеству тимина. В конце 1951 года Фрэнсис Крик начал работать с Джеймсом Уотсоном в лаборатории Кавендиша Кембриджского университета. Роль ДНК в наследственности была подтверждена в 1952 году, когда Альфред Херши и Марта Чейз в эксперименте Херши–Чейза показали, что ДНК является генетическим материалом бактериофага T2. В мае 1952 года Рэймонд Гослинг, аспирант под руководством Розалинд Франклин, сделал рентгеновский дифрактограмму, обозначенную как "Фото 51", при высокой степени гидратации ДНК. Эта фотография была передана Уотсону и Крику Морисом Уилкинсом и имела решающее значение для получения ими правильной структуры ДНК. Франклин сообщила Крику и Уотсону, что основные цепи должны быть снаружи. До этого у Линуса Полинга, Уотсона и Крика были ошибочные модели с цепями внутри и основаниями, направленными наружу. Идентификация Франклином пространственной группы для кристаллов ДНК показала Крику, что две нити ДНК антипараллельны. В феврале 1953 года Линус Полинг и Роберт Кори предложили модель нуклеиновых кислот, содержащую три переплетенные цепи, с фосфатами рядом с осью и основаниями снаружи. Уотсон и Крик завершили свою модель, которая теперь признана первой правильной моделью двойной спирали ДНК. 28 февраля 1953 года Крик прервал обед посетителей в пабе "Орел" в Кембридже, Англия, чтобы объявить, что он и Уотсон "открыли секрет жизни". В выпуске журнала Nature от 25 апреля 1953 года была опубликована серия из пяти статей, представляющих структуру двойной спирали ДНК Уотсона и Крика и доказательства, подтверждающие ее. Структура была представлена в письме под названием "МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ. Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты", в котором говорилось: "Мы не упустили из виду, что специфическое спаривание, которое мы постулировали, сразу же предполагает возможный механизм копирования генетического материала". Затем последовало письмо Уилкинса и двух его коллег, содержащее анализ рентгеновских дифрактограмм ДНК B in vivo, подтверждающее наличие структуры Уотсона и Крика in vivo. В 1962 году, после смерти Франклин, Уотсон, Крик и Уилкинс совместно получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Нобелевские премии присуждаются только живущим лауреатам. Продолжаются дебаты о том, кто должен получить признание за это открытие. В влиятельной презентации в 1957 году Крик изложил центральную догму молекулярной биологии, которая предсказала взаимосвязь между ДНК, РНК и белками, и сформулировал "адапторную гипотезу". Окончательное подтверждение механизма репликации, подразумеваемого структурой двойной спирали, последовало в 1958 году в эксперименте Мезельсона–Шталя. Дальнейшие работы Крика и его коллег показали, что генетический код основан на неперекрывающихся триплетах оснований, называемых кодонами, что позволило Хар Гобинду Хоране, Роберту В. Холли и Маршаллу Уоррену Ниренбергу расшифровать генетический код. Эти открытия знаменуют рождение молекулярной биологии. В 1986 году анализ ДНК впервые был использован в криминалистических целях, когда полиция Великобритании обратилась к Алеку Джеффрису из Университета Лестера для подтверждения или опровержения признания подозреваемого в изнасиловании и убийстве. В этом конкретном случае подозреваемый признался в двух изнасилованиях и убийствах, но позже отказался от своего признания. Анализ ДНК в университетских лабораториях вскоре опроверг правдивость первоначального признания подозреваемого, и подозреваемый был оправдан по обвинению в изнасиловании и убийстве.