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.
Nuclear DNA (nDNA), or nuclear deoxyribonucleic acid, is the DNA contained within each cell nucleus of a eukaryotic organism. It encodes for the majority of the genome in eukaryotes, with mitochondrial DNA and plastid DNA coding for the rest. It adheres to Mendelian inheritance, with information coming from two parents, one male and one female—rather than matrilineally (through the mother) as in mitochondrial DNA.
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.