ДНК Почти вся ДНК эукариотической клетки сосредоточена

ДНК

Почти вся ДНК эукариотической клетки сосредоточена в ядре, объем которого составляет приблизительно 10% от общего объема клетки. Ядро окружено ядерной оболочкой, состоящей из 2 концентрически расположенных мембран.

Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому, а вся генетическая информация, хранящаяся в хромосомах организма, называется геномом.

Геном человека представлен 6 х109 парами нуклеотидов, распределенных в 46 хромосомах. Теоретически это количество ДНК можно упаковать в куб со стороной 1. 9 мкм. 6 х109 букв 12 шрифтом заняли бы более миллиона страниц

Каждая хромосома образуется из одной длинной молекулы ДНК

DNA by the Numbers • Each cell has about 2 m of DNA. • The average human has 75 trillion cells. • The average human has enough DNA to go from the earth to the sun more than 400 times. The earth is 150 billion m • DNA has a diameter of or 93 million miles from the sun. only 0. 00002 m. 6

В каждой хромосоме обязательно присутствуют: несколько точек начала репликации, теломера (на каждом конце хромосомы) и центромера (соединяет хромосому с веретеном деления)

Большая часть ДНК не кодирует белков или РНК. Это так называемая мусорная ДНК (англ. junk DNA) — последовательности геномной ДНК, функции которых пока не установлены. У человека менее 5% генома кодирует белки. Остальные 95% - это повторяющиеся последовательности, останки «мертвых» вирусов, которые когда-то давно встраивались в геномы наших предков; так называемые эгоистичные мобильные элементы — последовательности ДНК, способные перескакивать из одного участка генома в другой; различные псевдогены — нуклеотидные последовательности, утратившие способность кодировать белки в результате мутаций, но все еще сохранившие некоторые признаки генов. Это далеко не полный список «призраков» , обитающих на «кладбище генома» .

• Я был бы весьма горд служить в комитете, который разработал геном кишечной палочки. Однако я бы никогда не признался, что служил в комитете, который спроектировал геном человека. Даже университетский комитет не смог бы выполнить что-то так плохо. • — Дейвид Пенни (David Penny)

Идея тотализатора по поводу числа человеческих генов пришла в голову доктору Эвану Бирни в баре при лаборатории в Колд-Спринг-Харбор незадолго до завершения проекта «Геном человека» . По мере приближения к финалу, с 2000 по 2002 год, ставки выросли с 1 доллара до 20. В результате банк разделили «на троих» : Пол Дир из Британского совета по медицинским исследованиям, который еще в 2000 году поставил на дату своего рождения — 27. 04. 1962 — 27 462, Ли Роуэн из Института системной биологии в Сиэтле — в 2001 году она поставила на число 25 947, и Оливер Джейлон из французской компании Genoscope (26 500). Когда главного победителя — доктора Дира — спросили, как ему удалось еще три года назад, когда все думали, что генов у человека не меньше 50 000, угадать число с такой точностью, он ответил: «Дело было в баре, глубокой ночью. Наблюдая за поведением пьющих людей, я подумал, что оно мало отличается от поведения мух-дрозофил, у которых 13500 генов, а потому мне показалось, что удвоенного числа мушиных генов людям вполне достаточно» . Общее число генов в геноме человека составляет от 26383 до 39114 The contest ended in a three way tie, with half of the $1, 200 in prize money going to Lee Rowen [who bet 25, 947 in 2001] and the other half shared by Paul Dear [27, 462 in 2000] and Olivier Jaillon [26, 500 in 2002]

DNA Nucleotide Phosphate Group O O=P-O O 5 CH 2 O N C 1 C 4 Sugar (deoxyribose) C 3 C 2 Nitrogenous base (A, G, C, or T)

The Structure of DNA • DNA is composed of four nucleotides, each containing: adenine, cytosine, thymine, or guanine. • The amounts of A = T, G = C, and purines = pyrimidines [Chargaff’s Rule]. • DNA is a double-stranded helix with antiparallel strands [Watson and Crick]. • Nucleotides in each strand are linked by 5’-3’ phosphodiester bonds • Bases on opposite strands are linked by hydrogen bonding: A with T, and G with C.

Figure 16. 1

1962: Nobel Prize in Physiology and Medicine Watson, J. D. and F. H. Crick, “Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxynucleic Acids”. Nature 171 (1953), p. 738. James D. Watson Francis H. Crick Maurice H. F. Wilkins What about? Rosalind Franklin

• Уотсон и Крик построили модели двойной спирали, опираясь на данные рентгеноструктурного анализа и химического состава ДНК • Франклин пришла к выводу, что существует два внешних сахаро-фосфатных остова, причем азотистые основания спарены во внутренней части молекулы • Уотсон построил модель, в которых сахарофосфатные остовы были противоположно направлены

• Сначала Уотсон и Крик думали, что спарены одинаковые основания (A с A, и так далее), но такие спаривания не приводили к равномерной ширине спирали • Вместо этого спаривание пурина с пиримидином приводило к равномерной ширине, соответствующей рентгеновским данным © 2011 Pearson Education, Inc.

Figure 16. UN 01 Purine purine: too wide Pyrimidine pyrimidine: too narrow Purine pyrimidine: width consistent with X-ray data

• Уотсон и Крик полагали, что аденин (A) спарен только с тимином (T), а гуанин (G) спарен только с цитозином (C) • Модель Уотсона-Крика объясняет правило Чаргаффа: в любом организме количество A = T и количество G = C © 2011 Pearson Education, Inc.

Главной особенностью пар А–Т и Г–Ц является их одинаковая геометрия. Это позволяет построить двуспиральную молекулу с постоянным расстоянием между цепями, построенными остатками сахара и фосфорной кислоты. Образование любых других пар приводит к нарушению правильной структуры. Такое взаимодействие оснований, при котором они дополняют друга до определенной структуры, одинаковой для всех пар, получило название принципа комплементарности. Пары аденин и тимин, гуанин и цитозин называются комплементарными парами, а две цепочки нуклеиновых кислот, в которых все основания образуют комплементарные пары — комплементарными цепочками. Таким образом, каждая молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепочек полинуклеотидов

Figure 16. 8 Sugar Adenine (A) Thymine (T) Sugar Guanine (G) Cytosine (C)

A---T G---C C---G T---A A---T G---C C---G A---T G---C T---A

Хранение информации в ДНК (2, 2 петабайта (1015) на грамм). Молекулы ДНК — это идеальный носитель информации: они фантастически компактны, стабильны, энергетически эффективны и надёжны: доказанная продолжительность хранения информации в ДНК составляет сотни тысяч лет. При хранении при 10°С ДНК сохранится не менее 2 тыс. лет, а при -18°С – больше 2 млн лет. Четыре грамма молекул ДНК, теоретически, могут вместить всю информацию, созданную человечеством за год. Для кодирования информации в ДНК могут использоваться различные системы счисления двоичная (A, C – 0, G, T – 1), четвертичная - по количеству нуклеотидов (0 = A, 1 = T, 2 = C, 3 = G). Или троичная (Base-3), где четвёртый нуклеотид используется в служебных целях для разбиения длинных цепочек

http: //earthsciweb. org/js/bio/dna-writer/

Digital information encoding in DNA. N Goldman et al. Nature 000, 1 -4 (2013) doi: 10. 1038/nature 11875

Во время эксперимента исследователи записали в ДНК почти мегабайт информации, в том числе все 154 сонета Шекспира в формате. txt, видеоролик с записью выступления Мартина Лютера Кинга продолжительностью 26 секунд, обложку журнала Bioinformatics Institute в формате. jpeg, научную работу с описанием структуры ДНК в формате. pdf, а также ещё один файл с описанием процесса кодирования. В общей сложности всё уместилось в 739 килобайт.

Исходя из нынешнего технологического прогресса в области синтеза и секвенирования, носители ДНК для записи информации должны появиться в открытой продаже в течение десяти лет. Хотя ДНК позволяет хранить информацию тысячелетиями, первые коммерческие носители будут продаваться с гарантией до 50 -ти лет, считают исследователи.

DNA Fountain enables a robust and efficient storage architecture Yaniv Erlich 1, 2, 3, *, Dina Zielinski 1 New York Genome Center, New York, NY 10013, USA. 2 Department of Computer Science, Fu Foundation School of Engineering, Columbia University, New York, NY 10027, USA. 3 Center for Computational Biology and Bioinformatics (C 2 B 2), Department of Systems Biology, Columbia University, New York, NY 10027, USA. Science 03 Mar 2017: Vol. 355, Issue 6328, pp. 950 -954 DOI: 10. 1126/science. aaj 2038 Исходный бинарный файл учёные получили, слив воедино шесть источников информации: код операционной системы Kolibri (1, 4 Мбайт); компьютерный вирус (42 Кбайт); короткий фильм братьев Люмьер "Прибытие поезда" (523 Кбайт); графическую табличку, отправленную на борту зондов Pioneer (53 Кбайт); классическую статью Клода Шеннона "Математическая теория связи" (343 Кбайт) и подарочную карту магазина Amazon (62 байта). Перекодированная в ДНК информация дала в общей сложности 72 тысячи фрагментов нуклеиновой кислоты длиной по 200 пар нуклеотидов.

Эти данные Эрлих и Зелински переслали в калифорнийскую компанию Twist Bioscience, где на их основе были синтезированы и отправлены обратно авторам работы молекулы ДНК. Учёные показали, что такие данные можно легко, быстро и без ошибок скопировать, размножив ДНК с помощью полимеразной цепной реакции. Наконец, они использовали обычные методы секвенирования, выяснив последовательности фрагментов ДНК, соединили их и восстановили исходные файлы. Видеоролик показывает, как Янив Эрлих распаковывает перекодированный из ДНК архив, запускает операционную систему и играет в "Сапёра". 7 тысяч долларов потребовалось, чтобы синтезировать 2 мегабайта информации, и еще 2 тысячи долларов, чтобы ее прочитать.

Самая масштабная запись на ДНК – это 200 мегабайт данных ( в том числе отцифрованные произведения искусства, 100 величайших литературных произведений из проекта «Гутенберг» , Всеобщая декларация прав человека ООН более чем на 100 языках, база данных семян некоммерческой организации Crop Trust и клип This Too Shall Pass группы OK Go в высоком разрешении).

Организация генетического материала

Структура РНК

РНК легко образует вторичные структуры (шпильки, петли)

т. РНК в функциональной форме имеет форму клеверного листа Вторичные структуры в РНК взаимодействуют друг с другом с образованием третичной структуры

Methods and Sensitivities of DNA Detection Spectrophotometry > 0. 1 µg/m. L Hybridization randomly labelled DNA biotinylated probes repetitive DNA (SINE, Alu) 50 pg (10 -12 g) 2 µg 5 pg Immunological methods 5 – 10 pg PCR methods unique sequence DNA repetitive DNA (SINE, Alu) fg (10 -15 g) ag (10 -18 g)

Определить концентрацию ДНК, а также степень ее чистоты, можно с помощью спектрофотометра Спектрофотометрия (абсорбционная) – физико-химический метод исследования растворов и твердых веществ, основанный на изучении спектров поглощения в ультрафиолетовой (200– 400 нм), видимой (400– 760 нм) и инфракрасной (>760 нм) областях спектра. Основная зависимость, изучаемая в спектрофотометрии – зависимость интенсивности поглощения падающего света от длины волны λ. В сооответствии с законом Бугера–Ламберта–Бера оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации поглощающего вещества. Нуклеиновые кислоты поглощают УФ излучение в области 240– 290 нм с максимумом при 260 нм. Хромофорами служат азотистые основания НК, особенно пиримидиновые. Пиримидины поглощают УФ свет примерно в 10– 20 раз интенсивнее, чем хромофоры белковых молекул – триптофан, тирозин и фенилаланин.

Для оценки чистоты препарата ДНК, свободного от РНК, проводят измерения оптической плотности раствора при длинах волн 260, 280 и 235 нм, т. е. на максимумах поглощения растворов ДНК, белков и полисахаридов, соответственно.

Absorption spectrum of ATP

Absorption spectra of aromatic amino acids

Absorption spectrum of a protein

Determination of the purity of DNA and protein solutions In the case of a pure solution of DNA, A 260/ A 280 = 1. 8.

Гиперхромный эффект (гиперхромизм) The absorption maximum of nucleic acids at 260 nm originates from their constituent aromatic groups. High temperature causes DNA to “melt”—hydrogen bonds connecting the bases start to break and absorbance at 260 nm rises. This phenomenon is known as hyperchromicity. The transition temperature is also called “melting temperature” (Tm).

Денатурация ДНК заключается в разрыве Н-связей и стэкинг-взаимодействий, что приводит к расплетанию и разделению цепей (без разрыва ковалентных связей) под действием температуры или р. Н. О степени денатурации судят по изменению интенсивности поглощения в ультрафиолете при 260 nm, поскольку экранирование азотистых оснований в результате расплетания цепей устраняется, что вызывает увеличение степени поглощения раствором ДНК ультрафиолета. Денатурацию иначе называют плавлением, а температура плавления соответствует моменту 50%-ной денатурации молекулы. Температура плавления у разных ДНК различается.

Комплементарные цепи ДНК, разделенные при денатурации, при определенных условиях могут вновь соединиться в двойную спираль. Этот процесс называется ренатурацией. Если денатурация произошла не полностью, и хотя бы несколько оснований не утратили взаимодействия водородными связями, ренатурация протекает очень быстро. Ренатурация возможна даже при полностью разделенных цепях. В таком случае ренатурация требует точного совмещения цепей ДНК, которое может привести к реассоциации, и этот процесс медленный, к тому же зависит от концентрации цепей в растворе.

Аналоги нуклеотидов (аномальные нуклеотиды) синтетические производные нуклеотидов (гуанина, аденина, тимидина), нарушающие синтез ДНК или РНК вирусов. Ацикловир (зовиракс) — синтетический аналог гуанина. Эффективен в отношении вирусов Herpes simplex (простой герпес) и Herpes zoster (опоясывающий лишай; ветряная оспа). Ацикловир проникает в клетки, зараженные вирусом, при участии тимидинкиназы вируса. Под влиянием тимидинкиназы вируса происходит фосфорилирование ацикловира — образуется ацикловира монофосфат. Ферменты клетки производят дальнейшее фосфорилирование с образованием ацикловира трифосфата, который: I) ингибирует ДНК-полимеразу вируса, 2) инкорпорируется в ДНК вируса. В результате синтез ДНК прекращается, нарушается репликация вируса

Видарабин - синтетический аналог аденина. В форме видараби-на трифосфата ингибирует ДНК-полимеразу, встраивается в ДНК и блокирует ее элонгацию. Идоксуридин — синтетический аналог тимидина. Препарат токсичен Рибавирин (рибамидил) — синтетический аналог гуанозина. Ингибирует синтез вирусных ДНК и РНК.

ДНК алфавит из 6 букв A semisynthetic organism engineered for the stable expansion of the genetic alphabet Yorke Zhanga, 1, Brian M. Lamba, 1, Aaron W. Feldmana, Anne Xiaozhou Zhoua, Thomas Lavergneb, Lingjun Lic, and Floyd E. Romesberga, 2 Author Affiliations Edited by Clyde A. Hutchison III, The J. Craig Venter Institute, San Diego, CA, and approved December 21, 2016 (received for review October 6, 2016)

Denis Malyshev received his MS from the Higher Chemical College of the Russian Academy of Sciences in 2008. He obtained his Ph. D from The Scripps Research Institute in 2013, working under the direction of Prof. Floyd Romesberg. Currently, he is a scientist at Synthorx, Inc. , working to develop novel biomolecules containing unnatural building blocks for life science and biotechnology applications.