Что такое ДНК и как она работает?

Что такое ДНК и как она работает?

Любой организм на Земле содержит в себе молекулярную инструкцию для собственной сборки и эксплуатации — это  дезоксирибонуклеиновая кислота или ДНК. В ДНК закодированы самые разные черты: какой цвет глаз и волос будет у человека,  какой у розы будет аромат или каким способом бактерия будет заражать хозяина. Атлас рассказывает, как код ДНК становится свойствами организма и передается по наследству, как  «включаются» и «выключаются» гены и как упаковать длинную молекулу ДНК в крошечную клетку.

Содержание

Как устроена ДНК?

ДНК это длинная и сложная молекула. Представить ее можно как двойную цепь, звенья которой это нуклеотиды, состоящие из молекулы углевода (дезоксирибозы), остатка фосфора и азотистого основания. Нуклеотиды отличаются друг от друга по входящему в них азотистому основанию: Аденин, Тимин, Гуанин и Цитозин. Часто их обозначают просто буквами - А, Т, Г, Ц. Выстраиваясь друг за другом нуклеотиды образуют одну цепь ДНК. Порядок, в котором расположены нуклеотиды,отличается у разных организмов. ДНК-узор из А, Т, Г, Ц считывают другие молекулы и запускают формирование самых  разных свойств организма.

В двойной цепи ДНК одна из цепей расположена как бы вверх ногами по отношению к другой - это расположение называется «антипараллельным».

Цепи в паре не идентичны друг другу, а сопоставимы по определенному правилу: если в первой цепи в последовательности А, во второй на этом же месте стоит Т, если в первой Г, то во второй-Ц, и наоборот. Это правило называется принцип комплементарности. Запомните этот принцип, он чертовски важен для генов.

Между комплементарными нуклеотидами двух цепей возникают водородные  связи, выстраивается как бы «лестничная структура» между цепями. Эта лестница ДНК закручена в двойную спираль.

Но в форме двойной спирали ДНК занимает слишком много места, у человека в длину она займет примерно 2 метра. Как уместить такую громадину в крохотное ядро? ДНК для этого скручивается и наматывается самыми разными способами. Для начала происходит наматывание ДНК на белки гистоны, словно на катушки. Затем ДНК с гистонами переживает  ещё один цикл «закручивания» в структуру, подобную плотной тугой спирали соленоиду. Эта плотная нить в свою очередь укладывается петлями с помощью белков скаффолда, а затем складывается еще разок: в петлевые домены на белках матрикса ядра.

Когда спираль ДНК сматывается с помощью гистонов и белков скаффолда получается хроматида. Две хроматиды, несущие одинаковую последовательностью ДНК, называются сестринские хроматиды. Одна или две хроматиды (их количество зависит от того, когда клетка делилась) образуют хромосому. В клетках нашего тела содержится 23 пары хромосом (то есть всего 46 штук).

Как ДНК удваивается?

Когда клетка делится, каждая новая клетка хочет заполучить себе копию инструкции для жизни, поэтому ДНК приходится копировать.  Удваивается ДНК полуконсервативно это значит, что  одна из цепей остается от исходной молекулы, а вторая синтезируется заново. С последовательности исходной, «материнской», ДНК  по правилу комплементарности (А-Т; Г-Ц) можно переписать вторую, дочернюю, цепь ДНК.

Допустим, последовательность материнской цепи: ААГЦТТАГ, значит  «дочерняя» будет комплементарна - ТТЦГААТЦ

А Т

А Т
ГЦ
Ц Г

Т А

ТА

Г—Ц

Две новые дочерние цепи строятся сразу с двух материнских цепей. Как это происходит? Для начала ДНК избавляется от гистонов. Затем фермент хеликаза расплетает двойную спираль ДНК и разрывает водородные связи между цепями. Фермент праймаза строит у каждой цепочки небольшую последовательность нуклеотидов праймер. Праймер это затравка для построения новой цепи ДНК. К праймерам присоединяется фермент ДНК-полимераза, который присоединяет новые нуклеотиды к строящимся цепочкам.

Когда новые цепи синтезированы, между вновь синтезированной дочерней и исходной, материнской, цепочкой ДНК возникают водородные связи, вновь образуется двойная спираль, которая снова компактно сматывается. Когда клетка поделится, получившиеся ДНК-сёстры разойдутся  по ядрам образовавшихся клеток.

Как информация ДНК превращается в свойства организма?

ДНК это код, поэтому для начала ее надо расшифровать и переписать на язык другой нуклеиновой кислоты - рибонуклеиновой кислоты или РНК. Этот процесс называется транскрипция. РНК очень похожа на ДНК, однако вместо нуклеотидов с дезоксирибозой, в цепочку объединяются нуклеотиды с другим сахарным остатком - рибозой ( получаются рибонуклеотиды). Кроме того, РНК обычно является одноцепочечной.

РНК словно под диктовку переписывается с последовательности  ДНК так же, как при удвоении, да-да, вы догадались, по правилу комплементарности. Но есть одно исключение: в РНК азотистое основание Тимин заменено на основание Урацил: а значит, если в кодирующей ДНК А то в РНК считается У. Присоединяет нуклеотиды РНК-полимераза.

Когда «буквенный» состав ДНК переписан в РНК происходит ее созревание: лишние части (интроны) вырезаются, а нужные (экзоны)  сшиваются вместе. Получившаяся РНК это инструкция к сборке белка. Читают эту инструкцию органеллы под названием рибосомы, а сам процесс называется  трансляция.

Рибосомы насаживаются на начало цепи РНК и движутся по ней в направлении к ее концу. В ходе движения рибосомы читают РНК по слогам, а вернее, по триплетам или кодонам,то есть по трем нуклеотидам-буквам: АГЦ, АЦА, ААГ и так далее. Каждый такой триплет обозначает какую-то аминокислоту, как показано в таблице. Аминокислоты это строительные кирпичики белков.

УУУ — фенилаланин

УУЦ — фенилаланин
УУА — лейцин 

УУГ

УЦУ

УАЦ — серин 

УЦА

УЦГ

УАУ — Тирозин

УАЦ

УАА — стоп-кодон

УАГ— стоп-кодон

УГУ — цистеин 

УГЦ

УГА стоп-кодон

УГГ триптофан

ЦУУ

ЦУЦ

ЦУА — Лейцин
ЦУГ

ЦЦУ

ЦЦЦ

ЦЦА — пролин

ЦЦГ

ЦАУ —гистидин

ЦАЦ

ЦАА — глютамин

ЦАГ

ЦГУ

ЦГЦ — аргинин

ЦГА

ЦГГ

АУУ
АУЦ—Изолейцин   
АУА
АУГ — метионин.

АЦУ

АЦЦ

АЦА —треонин

АЦГ

ААУ— аспарагин
ААЦ
ААА —лизин

ААГ

АГУ— серин

АГЦ

АГЦ — аргинин

АГГ

ГУУ
ГУЦ
ГУА     Валин
ГУГ

ГЦУ

ГЦЦ
ГЦА — аланин

ГЦГ

ГАУ —аспарагиновая кислота

ГАЦ

ГАА —глутаминовая кислота

ГАГ

ГГУ

ГГЦ — глицин

ГГА

ГГГ

Когда кодон прочитан, рибосома понимает, какую аминокислоту надо присоединить, например, прочитала АЦА, значит надо присоединить треонин, и вызывает соответствующий переносчик транспортную РНК. Итак, рибосома движется по РНК, читает кодоны друг за другом и по о очереди вызывает тРНК с аминокислотами, которые навешиваются одна на другую. Получившаяся цепочка из аминокислот  это белок или его часть.

Почти все наши свойства определяют белки. Группу крови определяют белки на поверхности эритроцитов, белок фермент лактаза определяет вашу способность переваривать лактозу, а белок-рецептор дофамина может определять предрасположенность человека к рискованному поведению.Так послание ДНК, закодированное в А, Т, Г, Ц, через РНК, находит свое выражение в белке, который что-то делает и определяет свойства организма.

Почему во всех клетках есть полная последовательность ДНК, но часть генов не работают?


В каждой клетке нашего тела содержится полный набор генов. Но каким-то образом, разные клетки  понимают, что одни должны стать волосами, другие костями, третьи мозгами. Для наших клеток важно не столько то, какие гены находятся в ДНК, сколько то, какие именно из них активны. Будет или не будет ген работать зависит от того, сможет ли РНК-полимераза его узнать и переписать с ДНК копию РНК. Если РНК-полимераза не связывается с геном, и не переписывает его — ген молчит.

Чтобы привлечь РНК-полимеразу к гену существуют белки-активаторы: так называемые транскрипционные факторы. На гены транскрипционных факторов приходится очень много ДНК: всего в человеческом геноме закодировано около 20 000 белков, из них две тысячи — это транскрипционные факторы. То есть каждый десятый ген, по сути, сам ничего в клетке не производит, а лишь следит за тем, чтобы другие гены включились в нужное время в нужном месте.

Пример транскрипционного фактора ген FOXP2. Если создать ГМО-мышей, которым внесли человеческую версию этого гена, то они лучше обучаются и пищат как-то иначе. Но ген вовсе не отвечает за строение голосовых связок или за особую активность нейронов. FOXP2 это просто грамотный управляющий, транскрипционный фактор, который заставляет гены мыши работать как-то иначе.


Гены также можно  заставить «замолкнуть». Например, есть белки-репрессоры, которые связываются с геном и не дают РНК-полимеразе присоединиться  Другой способ выключить ДНК - модифицировать гистоны, то есть катушки, на которые намотана ДНК. Фермент деацетилаза гистонов заставляет ДНК наматывается на гистоны так туго, что никакие другие молекулы, ни полимеразы, ни факторы транскрипции, не могу к ней подобраться.

"Выключает" гены и метилирование ДНК. Метильная группа присоединяется к цитозину с помощью фермента ДНК-метилтрансферазы. Такое метилирование происходит, если рядом с цитозином стоит гуанин - в составе так называемого динуклеотида CpG. Участки ДНК, богатые CpG-динуклеотидами, называют CpG-островками. Гиперметилирование CpG-островков  приводит к конденсации - то есть сматыванию ДНК в плотные клубки:  гены, попавшие в клубок, не читаются.

Такие внешние влияния на работу генов называют эпигенетикой. Эпигенетические факторы не меняют саму последовательность ДНК, но меняют активность генов. В последнее время показано, что эпигенетическими факторами, способными «включать»и «выключать» работу генов, являются работа в ночные смены, употребление алкоголя, курение, диета и физическая активность, и даже то, испытывали ли ваши родители стресс.

Согласно одному из исследований, холокост повлиял на геномы минимум двух поколений евреев произошло метилирование FKBP5 гена, связанного с реакцией на стресс. В другом исследовании было показано, что у нидерландских детей, которые в утробе мамы пережили массовый голод в конце Второй мировой войны («Голодная зима») , даже спустя 60 лет оказался понижен уровень метилирования участка гена инсулин-подобного фактора роста IGF2 (участвующего в процессах роста и развития). Дети этих детей тоже были затронуты: у них был обнаружен больший индекс массы тела.

Подбробнее про эпигенетику можно прочитать в нашем материале Эпигенетика - над ДНК.

Как ДНК передается детям?

У человека в ядре каждой клетки хранятся 23 пары хромосом, всего 46 штук. Исключение составляют половые клетки: сперматозоиды и яйцеклетки. В них содержится всего 23 одиноких хромосомы.

Число хромосом в половых клетках сокращается в результате мейоза, это особый тип деления клетки, в процессе которого из одной клетки с двумя наборами хромосом (диплоидной; 46 хромосом) образуется четыре с одинарным набором хромосом (гаплоидных; 23 хромосомы). Хромосомы, содержащие одну и ту же последовательность генов и образующие пары, могут обмениваться участками происходит кроссинговер, своеобразное перемешивание, которое обеспечивает потомкам большее генетическое разнообразие. Когда мужская и женская половые клетки сливаются при оплодотворении - в зародыше снова оказывается двойной набор генов, однако смешанный: по одной хромосоме в паре от папы и по одной - от мамы. Например, мы рассказывали, как от мамы и папы может наследоваться интеллект и как наследуются некоторые заболевания, например, галактоземия. Сокращение набора хромосом необходимо, чтобы, когда сперматозоид и яйцеклетка встретились при оплодотворении, образовался организм с нормальным набором хромосом. Если хромосом больше или меньше, чем нужно,- возникают хромосомные болезни. Классический пример Болезнь Дауна, при которой вместо двух хромосом под номером 21 в организме оказывается три.

На заметку.

1. Инструкция о строении нашего тела закодирована в ДНК в формате последовательностей нуклеотидов А, Т, Г , Ц.
2. Длинная молекула ДНК компактно упаковывается в ядре клетки с помощью скручивания и наматывания на белки.
3. Молекула ДНК удваивается в процессе репликации.
4. Чтобы извлечь информацию из ДНК, ее надо перевести на РНК.
5. Получившуюся РНК читают органеллы рибосомы по триплетам из трех букв.Триплет соответствует аминокислоте - звену цепи белка. Поэтому читая триплеты, РНК понимают, какую аминокислоту следующей присоединить к растущей к цепи белка.
6. Белки определяют почти все наши свойства и функции.
7. Гены можно активировать и подавлять с помощью специальных белков, транскрипционных факторов и супрессоров, с помощью изменения гистонов - катушек, на которые намотана ДНК, или с помощью метилирования ДНК.
8. На работу генов, в том числе на их активацию и подавление, могут влиять внешние факторы: стресс, ночные смены, диета и так далее (однако последовательность нуклеотидов ДНК при этом не меняется).
9. В клетках нашего тела содержится 23 пары хромосом. Но в половых клетках хромосомы содержатся не парами, а одиночно (гаплоидный набор хромосом). Такое сокращение необходимо, чтобы при оплодотворении, образовался организм с нормальным набором хромосом.

Если вам интересны особенности собственной ДНК, то в результатах Генетического теста Атлас вы можете найти целый раздел о необычных признаках, которые определяют ваши вкусы, чувствительность к определенным запахам и привычки.

Мария Пази
Мария Пази Биолог, научный журналист

Избранные темы

Здоровье
84 статей
Генетика
78 статей
Образ жизни
69 статей
Микробиота
50 статей
Питание
48 статей
Гайды
34 статей
Новости
11 статей
Отзывы
5 статей
Курсы
2 статей
Онкология
Онкология
21 статей
Пищеварение
Пищеварение
18 статей