DNA

Se også pekersiden Dna for flere betydninger av forkortelsen.

DNA-replikering

Deoksyribonukleinsyre (DNA) er den viktigste kjemiske bestanddelen i kromosomene og er materialet som våre gener er bygget opp av. Det blir noen ganger kalt «arvemolekylet», fordi foreldre overfører kopier av sitt eget DNA til sitt avkom under reproduksjonen, og fordi de dermed viderefører sine egenskaper.

I bakterier og andre enkle eller prokaryote celleorganismer, er DNA fordelt mer eller mindre gjennom hele cellen. I de komplekse eukaryote cellene som planter, dyr og andre flercellede organismer er bygget opp av, finnes mesteparten av DNA-et i cellekjernen. De energiproduserende organellene kjent som kloroplaster og mitokondrier har også DNA, i likhet med mange virus.

Kort om DNA

Denne seksjonen gir en oversikt over DNA.

Varsel: Denne seksjonen er et forsøk på en lettfattelig oversikt for folk uten særlige forkunnskaper. Formålet er å gi en introduksjon til emnet. Flere detaljer vil bli gitt i resten av hovedteksten.

• Gener kan grovt sett bli sett på som en organismes «kokebok».
• En DNA-streng inneholder gener, områder som regulerer gener, og områder som ikke har noen funksjon eller en funksjon vi ikke kjenner til.
• DNA er organisert i to komplementære strenger – de utfyller hverandre – med bindinger mellom hverandre som kan sprettes opp som en glidelås, og således dele dem opp i to selvstendige strenger.
• DNA er kodet med fire utbyttbare «byggestener», kalt «baser», og kan forkortes A, T, C eller G, etter deres kjemiske betegnelser: Adenin, Tymin, Guanin og Cytosin. Hver base danner par med kun en av de andre basene: A til T, T til A, C til G og G til C. Dette skyldes at adenin og tymin bindes sammen med to hydrogenbindinger, mens guanin og cytosin bindes sammen med tre hydrogenbindinger. Dersom vi har basen «A» på en streng på en dobbelttrådet DNA, vil den bare kunne kople seg sammen med en «T» på den andre, komplementære strengen.
• Rekkefølgen er viktig: A+T er ikke det samme som T+A, likeledes som C+G ikke er det samme som G+C.
• For øvrig, siden det bare er fire ulike kombinasjoner, er det vanlig å bare navngi basen på «hovedstrengen» for å beskrive sekvensen (rekkefølgen av basepar).
• Rekkefølgen av baser langs DNA-et er hva alt handler om. DNA-sekvensen er i seg selv det som beskriver genene.
• Replikering – fordobling av én dobbeltrådet DNA-spiral til to dobbeltråde DNA-spiraler – foregår ved at dobbeltstrengen blir delt i to gjennom midten ved hjelp av en rekke kjemiske reaksjoner, og «den andre, komplementære halvparten» til hver av de to enkle DNA-strengene blir gjenoppbygget ved å «drukne» dem i en «suppe» av de fire basene. Siden hver base bare kan kombineres med én av de andre basene, vil basene på den gamle strengen bestemme hvilke baser som vil bli del av den nye strengen. På denne måten vil hver enkeltstreng sammen med basene den får fra suppen ideelt sett ende opp som et fullstendig kopi av originalen, med mindre en mutasjon oppstår.
• Mutasjoner er rett og slett kjemiske feilreaksjoner som oppstår i prosessen: en base blir ved et uhell hoppet over, satt inn feil, eller kjeden blir avkortet, eller tilføyd ekstra basesekvenser.

Oversikt over molekylærstruktur

Fil:DNA-struktur-og-baser.png

Skjematisk fremstilling av DNA som viser dens struktur

Selv om DNA kalles «arvets molekyl», stemmer ikke den typiske oppfatningen om at DNA er et enkelt molekyl. De er snarere molekylpar, som omslynger hverandre som vinranker og danner en dobbeltspiral. (Se øverste halvdel av illustrasjonen til høyre).

Hvert slikt spiralmolekyl er et DNA-streng: en kjemisk forbundet kjede av nukleotider, som består av et sukkermolekyl, en fosfatgruppe og en av fire typer aromatiske «nitrogenholdige baser».

Ulikhetene i disse basene betyr at det er fire typer nukleotider, som blir navngitt etter sine basers navn. Disse er adenin (A), tyhmin (T), cytosin (C) og guanin (G).

I et DNA dobbelhelix, går to polynukleide sammen gjennom komplementærparing av basene, noe som gjøres ved hydrogenbinding. Hver base danner hydrogenbinding til kun et annet – A til T og C til G &ndash. Disse er bundet sammen med hydrogenbindinger, som er dipoler, derav stigeformen. Hvilken base som er på en streng avgjør hvilken baser som må være på den motsatte strengen. Derfor er nukleotidsekvensen komplementær til den andre og når de blir delt kan hver fungere som en mal som kan brukes for å reprodusere den andre (se midten og nedre halvdel av illustrasjon).

Fordi paringen får nukleotidbasene til å gå mot spiralens akse, kommer sukker- og fosfatgruppene på nukleotidene langs spiralens utside, og de to kjedene de danner blir derfor iblant referert til som spiralens «ryggmarg». Faktisk er det de kjemiske bindingene mellom disse fosfatene og sukkermolekylene som lenker en nukleotid til den neste i DNA-tråden.

Rekkefølgens rolle

Innenfor et gen er det sekvensen av nukleotider bortover en DNA-tråd som definerer et protein, som en organisme er i stand til å lage eller «uttrykke» ved et eller flere stadier i livet, ved hjelp av informasjonen i sekvensen. Forholdet mellom nukleotidsekvensen og aminosyre-sekvensen i proteinet blir avgjort etter enkle cellulære regler under translasjon av den genetiske kode. Tre og tre nukleotider danner hva vi kaller et kodon, som angir en spesifikk aminosyre.

I mange arter er det bare en liten del av den totale genomsekvensen som ser ut til å kode for proteiner. Funksjonen til resten av DNA-et er usikkert, og debattert. Det er kjent at enkelte nukleotidsekvenser spesifiserer affinitetet for DNA-bindende proteiner, som har en rekke vitale roller, især gjennom kontroll av replikasjon og transkripsjon. Disse sekvensene blir ofte referert til som regulatoriske sekvenser, og forskere antar at vi bare har identifisert en brøkdel av det som finnes. «Junk DNA» representerer sekvenser som ikke ser ut til å inneholde gener, eller ha en funksjon.

Sekvensen avgjør også et DNA-segments sårbarhet for deling av restriksjonsenzymer, som er et viktig verktøy i genetikken. Posisjonen til delingsstedene gjennom et individs genom avgjør en del av individets «DNA-fingeravtrykk».

DNA-replikering

Hovedartikkel: DNA-replikering

DNA-replikering eller DNA-syntese er kopieringsprosessen av det dobbelttrådede DNA i forkant av celledeling. De to resulterende dobbelttrådene er som regel nesten identiske, men iblant skjer det feil i replikeringen som kan gi en kopi som ikke er perfekt (se mutasjon). Hver av de to nye dobbelttrådene består av en streng fra originalen, og en nylig syntetisert streng. Dette kalles semikonservativ replikering. Replikeringsprosessen består av tre trinn: initiering, replikering og terminering.

Mekaniske egenskaper relevant for biologien

Hydrogenbindingene mellom strengene i dobbeltspiralen er svake nok til at de lett kan deles av enzymer. Enzymer kjent som helicaser åpner opp strengene for å gjøre dem tilgjengelig for sekvenslesende enzymer som DNA polymerase. For åpne dem opp, må helicasene kjemisk spalte «fosfatryggmargen» til en av strengene, så de fritt kan vri seg rundt hverandre. Strengne kan også deles ved forsiktig oppvarming, som brukt i PCR, såfremt det er under 10,000 basepar (10 kilopasebar, eller 10kbp). Sammentvinningen mellom DNA-strengene gjør det vanskelig å separere lange segmenter.

Når endene på en bit av dobbelttrådet DNA henger sammen så de danner en sirkel, som i plasmid-DNA, er strengene topologisk knutet sammen. Dette betyr at de ikke kan separeres ved mild oppvarming eller andre prosesser som ikke involver det å bryte strengen. Oppgaven med å knyte opp topologisk lenkede DNA-strenger blir utført av enzymer kjent som topoisomeraser. Enkelte av disse enzymene knyter opp sirkulært DNA ved å dele de to strengene slik at andre dobbelt-strengede segmenter kan komme inn. Oppknyting er nødvendig for replikering av sirkulært DNA og i ulike typer rekombinasjon i linært DNA.

Romfylningsmodell av en seksjon av et DNA-molekyl

DNA-spiralen kan innta en av tre litt forskjellige geometriske former, hvor «B»-formen beskrevet av James D. Watson og Francis Crick trolig er den vanligste formen i celler. Den er 2 nanometer vid og strekker seg 3.4 nanometer per sekvens med 10 basepar (10 bp). Dette er også den omtrentlige sekvenslengden hvor spiralen/heliksen foretar en hel runde rundt sin egen akse. Denne vridningshyppigheten (kjent som spiralens pitch) er i stor grad avhengig «stablingskreftene» (engelsk: «stacking forces») som hver base utøver på sine naboer i kjeden.

Den trange bredden til dobbeltspiralen gjør det umulig å detektere den med konvensjonell elektronmikroskopi, med mindre den blir godt merket (engelsk: heavy stained). Samtidig kan DNA-et i mange av cellene være makroskopisk i lengde – rundt 5 cm lange for trådene man finner i et menneskelig kromosom. Som en konsekvens av dette, må cellene «pakke sammen» DNA-et sitt. Dette er en av funksjonene til kromosomene, som inneholder spolelignende proteiner kjent som histoner. DNA tvinner seg rundt disse histonene.

B-formen til DNA-spiralen snurrer seg rundt 360° per 10.6 bp om den ikke strekkes på noen måte. Men mange biologiske prosesser kan føre til strekking. Et DNA-segment med overflødig eller utilstrekkelig spiralvridning blir kalt henholdsvis positiv eller negativ «supercoil». DNA in vivo er ofte negativt supercoil-et, som gjør det lettere å åpne dobbeltstrengen for RNA-transkripsjon.

De to andre kjente dobbeltspiralformene for DNA, kalt A og Z, har små forskjeller i sin geometri og sine dimensjoner. A-formen ser ut til å bare fremstå i dehydrerte DNA-prøver, som de brukt i krystallografi-eksperimenter, og muligens i hybridparinger mellom DNA- og RNA-strenger. DNA-segmenter som cellene har metylert for regulatoriske formål kan innta Z-geometrien, hvor strengen snur rundt spiralaksen som et speilbilde av B-formen.

DNA-sekvenslesing

Den asymmetriske formen og bindingene til nukleotidene betyr at en DNA tråd (to tråder i en dobbelhelix) alltid har en bestemt retning. På grunn av denne retningen, viser nøye undersøkelser av en dobbelhelix at, selv om nukleotidene langs en kjede har en retning, har den motstående kjeden en annen retning («ascending strand» = oppadgående kjede, «descending strand» = nedadgående). DNA trådene er altså ordnet antiparallelt.

I biokjemisk nomenklatur refereres endene til hver DNA tråd som «5-enden» og «3-enden». Enzymer leser nukleotidesekvenser alltid i fra «5-enden» til «3-enden». På engelsk kalles endene «five prime» og «three prime». I et vertikalt orientert dobbelhelix, er «3-enden» på den ene tråden nedadgående og «5-enden» på den andre er oppadgående.

Som et resultat av deres antiparallelle orientering og leseretningen til enzymene, ville cellene kun lese den ene tråden. Den andre tråden måtte leses bakfra, dvs. fra motsatt side av dobbelhelixen. En sekvens som er lest og oversatt kalles «sense», en som ikke er det kalles «antisense». Likevel er det, definisjonsmessig, «antisense» tråden som er templatet for lesing og oversetting!

Noen virus bryr seg ikke om forskjellen på sense og antisense, og har et genom som jobber «dobbelt». Altså et protein dannes av lesing fra 5' til 3', mens et annet samtidig dannes av lesing fra 3' til 5' på motsatt tråd. Som et resultat av dette er virusets genom uvanlig kompakt til å inneholde så pass mange gener som det gjør, noe biologer kaller adapsjon.

Enkeltstrenget DNA (ssDNA) og reparasjon av mutasjoner

I enkelte viruser fremkommer DNA som ikke-spiralisert, enkelttrådet form. Fordi mange av DNA-reparasjonsmekanismene i cellene bare virker for parede baser, muterer genomet hos disse virusene mye oftere enn det de ville ha gjort med dobbelttrådet DNA. Som et resultat av dette, kan slike virus tilpasse seg raskere for å hindre at de dør ut. Resultatet vil ikke være like fordelaktig i mer kompliserte og tregere replikerende organismer, noe som kan forklare hvorfor bare viruser har enkelttrådet DNA. Disse virusene har sannsynligvis også fordel av at det er enklere å bare replikere en streng fremfor to.

Oppdagelsen av DNA og dobbelspiralen

På 1800-tallet isolerte biokjemikere først DNA og RNA (blandet sammen) fra cellekjerner. De var forholdsvis raske til å sette pris på den polymeriske strukturen på sine «nukleinsyrer»-isoleringer. Det var først senere at de oppdaget at nukleotidene var av to typer – en som består av ribose og en som består av deoksyribose. Det var denne etterfølgende oppdagelsen som førte til identifiseringen og navnsettingen av DNA som en substans forskjellig fra RNA.

Friederich Miescher (1844–1895) oppdaget en substans han kalte «nuclein» i 1869. Noe senere isolerte han en ren prøve av et materiale vi nå kjenner som DNA fra laksespermie. I 1889 kalte hans elev, Richard Altmann, det for «nukleinsyre». De ble oppdaget at denne substansen bare fantes i kromosomene.

Max Delbrück, Nikolai V. Timofeeff-Ressovsky og Karl G. Zimmer publiserte resultater i 1935 som indikerte at kromosomer var veldig store molekyler hvis struktur kunne bli endret ved hjelp av røntgenstråling. Ved å endre strukturene var det også mulig å endre arvelige karakteristika som ble styrt av kromosomene. (Delbrück og Salvador Luria fikk Nobelprisen i medisin i 1969 for deres arbeid på den genetiske strukturen til viruser.)

I 1943 oppdaget Oswald Theodore Avery at egenskaper ved den «glatte» formen for pneumokokker kunne bli overført til «ru» former for samme bakterier bare ved å gjøre døde bakterier av den «glatte» (S – for «smooth») formen tilgjengelig for levende bakterier av den «ru» (R – for «rough») formen. Høyst uventet ble den levende R-pneumokokken omformet til en ny rekke av S-form, og de overførte S-karakteristika viste seg å være arvelige.

I 1944 publiserte den velkjente fysikeren Erwin Schrödinger en kort bok kalt Hva er liv?, hvor han støttet synet på at kromosomer innehold det han kalte livets arvelige kodespråk. Han tilføyde: «Men begrepet kodespråk [engelsk: code-script] er, selvsagt, for snever. Kromosomstrukturene er samtidig instrumentelle i å bringe frem utviklingen de indikerer. De er lov-kode og utøvende makt – eller for å bruke en annen sammenligning, de er en arkitekts tegninger og byggerens håndverk – i ett.» Han tenkte seg at disse to funksjonelle egenskapene var vevd inn i kromosomenes molekylære struktur. Ved å forstå både den eksakte molekylstrukturen til kromosomene kunne man håpe å forstå både «arkitektens tegninger» og også hvordan dette ble realisert gjennom «byggerens håndverk». Francis Crick, James D. Watson, Maurice Wilkins, Seymour Benzer med fl. tok opp fysikerens utfordring med å finne ut hvordan kromosmene er bygget opp og hvordan segmenter av kromomene som var antatt å relatere til spesfikke egenskaper, kunne utfylle sine oppgaver.

Man kunne ikke forestille seg akkurat hvordan spesifikke egenskaper ved molekylstrukturen hos kromosomene kunne gi opphav til trekk ved organismene og produsere adferd på den tiden. Ved kjemisk splitting av DNA prøver, fikk man alltid de samme fire nukleotidene, og den kjemiske strukturen syntes å være enkel, kanskje tilogmed ensartet. Organismer derimot er fantastisk komplekse, individuelle og kollektivt enormt varierte. Genetikere snakket ikke om gener som informasjonsbærere i den ordlyden, men hvis de hadde det, ville de ikke ha nølt med å kvantifisere mengden informasjon som genene måtte bære som uoverskuelig. Tanken om at informasjonen kunne ligge lagret i et kjemikalium på samme måte som det eksisterer i en tekst – som et avgrenset alfabet med bokstaver organisert i sekvenser av ubegrenset lengde – var ennå ikke tenkt. Den ville komme ved oppdagelsen av DNA´ets struktur, men få forskere forestilte seg at denne strukturen skulle fortelle oss mye om genetikk.

I femtiårene var det bare noen få forskningsgrupper som satte seg som mål å bestemme strukturen til DNA-et. Disse inkluderte en amerikansk gruppe som ble ledet av Linus Pauling, og to engelske grupper. Ved Universitetet i Cambridge, var det Crick og Watson satt og lagde modeller med metallstaver og kuler. I modellene bygget de inn de kjente kjemiske strukturene til nukleotidene og den kjente posisjonen til bindingene som lenket det ene nukleotidet til det neste i polymeren. Ved King´s College, London studerte Maurice Wilkins og Rosalind Franklin mønstrene til DNA tråder med røntgen diffraksjonsmålinger

En nøkkelbegivenhet for arbeidet til alle disse gruppen var oppdagelsen Pauling gjorde i 1948, at mange proteiner inkluderte spiralformer (se alpha heliks). Pauling hadde dedusert denne formen med bakgrunn i røntgenmønstre. Selv de grove diffraksjonsdataene fra DNA viste at strukturen inkluderte spiralformer. Men denne innsikten var bare en begynnelse. Spørsmålene gjenstod om hvor mange tråder som var sammenbuntet, om dette tallet var det samme for hver spiral, om basene pekte inn mot aksen eller bort fra den, og endelig hva var egentlig vinklene og koordinatene til alle bindingene og atomene. Slike spørsmål var det som motiverte modellforsøkene til Watson og Crick.

Når de modellerte, begrenset de seg til hva de så som kjemisk og biologisk sannsynlig. Likevel var mulighetene svært mange. Et gjennombrudd kom i 1952, da Erwin Chargaff besøkte Cambridge og inspirerte Crick med en beskrivelse av eksperimenter som Chargaff hadde publisert i 1947. Han hadde observert at proporsjonen av de fire nukleotidene varierer mellom den ene DNA-prøven til den neste, men at for spesielle par av nukleotidene – adenine og thymin, guanosin og cytosine – var de to nukleotidene nesten alltid tilstede i samme proporsjon.

Watson og Crick hadde begynt å vurdere dobbelspiral organisering, og de så at ved å reversere retningen av en tråd i forhold til den andre, kunne de gi en forklaring på Chargaffs merkelige funn. Denne forklaringen var teorien om komplementær paring av baser, som også medførte at avstanden mellom fosfatkjedene ikke varierte langs en sekvens. Watson og Crick var i stand til å finne at denne avstanden var konstant og måle denne avstanden til 2 nanometer basert på diffraksjonsmålinger gjort av Franklin. Det samme diffraksjonsmønsteret gav dem lengden på hver runde av spiralen, 3,4 nanometer per 10 basepars runde i spiralen. De to kom raskt sammen om en modell, og de annonserte den før Franklin selv publiserte sine data.

Den store hjelp Watson og Crick hadde av Franklin og hennes data har vært kilde til debatt, og det har irritert mennesker som mener at Franklin ikke har fått tilstrekkelig ære for sitt arbeid. Det mest kontroversielle er at Franklins helt nødvendige diffraksjonsmønster ble vist til Watson og Crick uten Franklins kjennskap eller tillatelse. Wilkins viste dem det på hennes laboratorium mens hun var borte.

Watson og Cricks modell vakte stor interesse umiddelbart da den ble presentert. De kom til sin konklusjon 21 februar1953, første presentasjon ble gjort 28 februar. Deres artikkel, 'A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid' ble publisert 25 April. I en innflytelsesrik presentasjon i 1957 la Crick frem sitt sentraldogme, som forutså relasjonen mellom DNA, RNA og proteiner, og uttrykte «sekvenshypotesen». En kritisk bekreftelse på replikasjonsmekanismen som var implisert gjennom dobbel-spiral strukturen kom i 1958 i form av Meselson-Stahl eksperimentet. Ikke lenge etterepå avkodet arbeid av Crick og medarbeidere den genetiske kode. Disse funnene representerer Molekylær biologiens fødsel.

Watson, Crick og Wilkins fikk Nobelprisen i 1962. Franklin hadde avgått med døden på dette tidspunktet.

Bibliografi

• DNA: The Secret of Life, by James D. Watson. ISBN 0-375-41546-7

Eksterne lenker

• DNA: PDB molecule of the month
• Google: Nucleic Acids
• 17 April, 2003, BBC News: Most ancient DNA ever?
• My First Book About DNA
• Watson, James, and Francis Crick, «Molecular structure of nucleic acids, A structure for Deoxyribose Nucleic Acid». April 2, 1953. (paper on the structure of DNA)