Введение

ДНК внутри ядра эукариотических клеток Ядерная ДНК (nDNA) или ядерная дезоксирибонуклеиновая кислота - это ДНК, содержащаяся в каждом ядре клетки эукариотического организма. Он кодирует большую часть генома у эукариотов, а остальное - митохондриальная ДНК и пластидная ДНК. Он придерживается менделевской наследственности, при этом информация поступает от двух родителей, одного мужчины и одной женщины, а не матрилинейно (через мать), как в митохондриальной ДНК.

Структура

Ядерная ДНК — это нуклеиновая кислота, полимерная биомолекула или биополимер, находящаяся в ядре эукариотических клеток. Её структура представляет собой двойную спираль, состоящую из двух нитей, закрученных друг вокруг друга, впервые описанную Фрэнсисом Криком и Джеймсом Д. Уотсоном (1953) на основе данных, полученных Розалинд Франклин. Каждая нить представляет собой длинную полимерную цепь из повторяющихся нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из пятиуглеродного сахара, фосфатной группы и органического основания. Нуклеотиды различаются по своим основаниям: пурины – большие основания, включающие аденин и гуанин; и пиримидины – малые основания, включающие тимин и цитозин. Согласно правилам Чаргаффа, аденин всегда образует пару с тимином, а гуанин – с цитозином. Фосфатные группы связаны фосфодиэфирной связью, а основания – водородными связями.

Различия в митохондриальной ДНК

Ядерная ДНК и митохондриальная ДНК различаются во многих отношениях, начиная с местоположения и структуры. Ядерная ДНК находится в ядре эукариотических клеток и обычно содержит две копии на клетку, тогда как митохондриальная ДНК локализована в митохондриях и содержит от 100 до 1000 копий на клетку. Структура ядерных ДНК-хромосом линейная, с открытыми концами, и включает 46 хромосом, содержащих, например, 3 миллиарда нуклеотидов у человека, в то время как структура митохондриальной ДНК-хромосомы обычно замкнутая, кольцевая и содержит, например, 16 569 нуклеотидов у человека. Ядерная ДНК у животных диплоидна и обычно наследуется от обоих родителей, в то время как митохондриальная ДНК гаплоидна и передается только по материнской линии. Скорость мутаций ядерной ДНК составляет менее 0,3%, тогда как скорость мутаций митохондриальной ДНК, как правило, выше.

Криминалисты

Ядерная ДНК известна как молекула жизни и содержит генетические инструкции для развития всех эукариотических организмов. Она содержится почти в каждой клетке человеческого тела, за исключением эритроцитов. У каждого человека уникальный генетический код, даже у однояйцевых близнецов. Судебно-медицинские подразделения, такие как Бюро по уголовным расследованиям (БУР) и Федеральное бюро расследований (ФБР), используют методы, основанные на анализе ядерной ДНК, для сравнения образцов в рамках расследования. К таким методам относится полимеразная цепная реакция (ПЦР), позволяющая использовать крайне малые количества ДНК путем многократного копирования определенных участков молекулы, известных как короткие тандемные повторы (КТР).

Клеточное деление

Как и митоз, мейоз - это форма деления эукариотических клеток. В результате мейоза образуются четыре уникальные дочерние клетки, каждая из которых имеет половину числа хромосом, как и родительская клетка. Поскольку мейоз создает клетки, которые предназначены стать гаметами (или репродуктивными клетками), это уменьшение числа хромосом имеет решающее значение без него, союз двух гамет во время оплодотворения приведет к потомству с вдвое большей нормальной численностью хромосом. Мейоз создает новые комбинации генетического материала в каждой из четырех дочерних клеток. Эти новые комбинации возникают в результате обмена ДНК между парными хромосомами. Такой обмен означает, что гаметы, полученные в результате мейоза, часто проявляют значительные генетические различия. Мейоз включает в себя два раунда деления ядра, а не только один. Перед началом мейоза клетка проходит промежуточный период, в котором она растет, реплицирует свои хромосомы и проверяет все свои системы, чтобы убедиться, что она готова к делению. Как и митоз, мейоз также имеет отдельные стадии, называемые профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Однако ключевое различие заключается в том, что во время мейоза каждая из этих фаз происходит дважды - один раз во время первого раунда деления, называемого мейозом I, и снова во время второго раунда деления, называемого мейозом II.

Репликация

До деления клетки ДНК-материал в первоначальной клетке должен быть дублирован, так что после деления каждая новая клетка содержит полное количество ДНК-материала. Процесс дублирования ДНК обычно называют репликацией. Репликация называется полуконсервативной, поскольку каждая новая клетка содержит одну нить исходной ДНК и одну недавно синтезированную нить ДНК. Оригинальная полинуклеотидная нить ДНК служит шаблоном для направления синтеза нового комплементарного полинуклеотида ДНК. Шаблон ДНК с одной нитью служит руководством для синтеза дополнительной нитки ДНК. Репликация ДНК начинается в определенном месте в молекуле ДНК, называемом источником репликации. Энзим геликаза разворачивает и отделяет часть молекулы ДНК, после чего одноцепочечные связывающие белки реагируют и стабилизируют отделенные одноцепочечные участки молекулы ДНК. Энзимный комплекс ДНК-полимераза задействует отделенную часть молекулы и инициирует процесс репликации. ДНК-полимераза может соединять только новые нуклеотиды ДНК с уже существующей цепью нуклеотидов. Поэтому репликация начинается с того момента, как фермент, называемый примазой, собирает РНК-праймер в начале репликации. РНК-праймер состоит из короткой последовательности нуклеотидов РНК, дополняющей небольшой начальный участок ДНК-цепи, который готовится к репликации. Затем ДНК-полимераза способна добавить нуклеотиды ДНК в праймер РНК и таким образом начать процесс построения новой дополнительной нити ДНК. Позже РНК-пример ферментативно удаляется и заменяется соответствующей последовательностью нуклеотидов ДНК. Поскольку две взаимодополняющие нити молекулы ДНК ориентированы в противоположных направлениях, а ДНК-полимераза может воспроизводить репликацию только в одном направлении, используются два различных механизма копирования нитей ДНК. Одна нить реплицируется непрерывно в направлении размотки, отделяя часть исходной молекулы ДНК; в то время как другая нить реплицируется непрерывно в противоположном направлении с образованием серии коротких сегментов ДНК, называемых фрагментами Оказаки. Каждый фрагмент Оказаки требует отдельного РНК-примера. По мере синтеза фрагментов Оказаки, праймеры РНК заменяются нуклеотидами ДНК, и фрагменты связываются вместе в непрерывную комплементарную нить.

Повреждение и восстановление ДНК

Повреждение ядерной ДНК – это постоянная проблема, возникающая под воздействием разнообразных деструктивных эндогенных и экзогенных факторов. Эукариоты выработали широкий спектр процессов репарации ДНК, удаляющих повреждения ядерной ДНК. Эти процессы репарации включают иссечение оснований, иссечение нуклеотидов, гомологичную рекомбинационную репарацию, не гомологичное соединение концов и репарацию с помощью микрогомологии. Такие процессы репарации необходимы для поддержания стабильности ядерной ДНК. Неспособность репаративных механизмов справляться с возникающими повреждениями приводит к различным негативным последствиям. Повреждения ядерной ДНК, а также мутации и эпигенетические изменения, которые они вызывают, рассматриваются как основная причина рака. Повреждения ядерной ДНК также играют роль в процессах старения и нейродегенеративных заболеваниях.

Мутация

Ядерная ДНК подвержена мутации. Основной причиной мутации является неточная репликация ДНК, часто специализированными ДНК-полимеразами, которые синтезируют прошлые повреждения ДНК в нити шаблона (синтез транслезий, склонный к ошибкам). Мутации также возникают в результате неточного восстановления ДНК. Путь соединения концов, опосредованный микрогомологией, для восстановления двойных разрывов нитей особенно подвержен мутации. Мутации, возникающие в ядерной ДНК зародышевой линии, чаще всего нейтральны или адаптивно невыгодны. Однако небольшая доля мутаций, которые оказываются выгодными, обеспечивают генетическую вариацию, на которой действует естественный отбор для создания новых адаптаций.