• Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

DNA

Oprindelige forfattere HNie og JKje Seneste forfatter Redaktionen

DNA. Elektronmikroskopisk billede af bakterien  Escherichia coli, hvis cellevæg er sprængt ved osmotisk tryk, således at det cirkulære DNA, der indeholder ca. 4 mio. basepar og måler i alt 1,2 mm, frigives til omgivelserne. Forstørret ca. 10.000 gange.

DNA. Elektronmikroskopisk billede af bakterien Escherichia coli, hvis cellevæg er sprængt ved osmotisk tryk, således at det cirkulære DNA, der indeholder ca. 4 mio. basepar og måler i alt 1,2 mm, frigives til omgivelserne. Forstørret ca. 10.000 gange.

DNA, (eng. Deoxyribonucleic Acid), deoxyribonukleinsyre, kædeformet makromolekyle, der udgør arvematerialet i alle levende organismer og i mange virus. I organismer med cellekerne (nukleus) findes DNA hovedsagelig i denne, heraf navnet nukleinsyre.

Historie

DNA blev først beskrevet i 1869 af den schweiziske kemiker Johann Friedrick Miescher (1844-95) som en sur, kvælstofholdig substans, der findes i cellekernen, og han gav det navnet nuklein. Det var dog stadig en fremherskende opfattelse på det tidspunkt, at det var proteinerne, der var bærere af den genetiske arv. I 1928 publicerede den britiske bakteriolog Frederick Griffith (1879-1941) resultaterne af en række forsøg, der viste, at harmløse bakterier kunne gøres sygdomsfremkaldende blot ved at blande dem med varmeinaktiverede bakterier af en sygdomsfremkaldende type. Da varmeinaktiveringen foregik ved en temperatur, der ødelagde proteinerne, men efterlod DNA intakt, pegede resultaterne på DNA som den mulige arvemasse.

Det endegyldige bevis kom dog ikke før 1944 på grundlag af et stort forskningsarbejde af den amerikanske bakteriolog Oswald Avery og hans to medarbejdere, Colin MacLeod (1909-72) og Maclyn McCarty (1911-2005), der klart viste, at det var DNA alene, der overførte bestemte egenskaber blandt bakterier.

Annonce

Francis Crick (tv.) og James D. Watson.

Francis Crick (tv.) og James D. Watson.

Beskrivelsen af DNAs struktur kulminerede i 1953, da James D. Watson og Francis Crick foreslog DNA-dobbeltspiral-strukturen på grundlag af tidligere kemiske og fysiske undersøgelser og i høj grad på basis af røntgenkrystallografiske undersøgelser udført af Rosalind Franklin og Maurice Wilkins.

Struktur

DNA er opbygget af grundenheder, deoxyribonukleotider (ofte blot kaldet nukleotider), der som perler på en snor er koblet sammen i ofte meget lange kæder. Nukleotiderne består af en sukkerdel, deoxyribose, hvortil der er bundet en fosfatgruppe og en kvælstofholdig cyklisk base. Sukkergrupperne er bundet sammen med fosfatgrupperne, og denne sukker-fosfat-kæde udgør "rygraden" i DNA-strengen. DNA får derved en polaritet, dvs. to kemisk set forskellige ender, som benævnes 5'- og 3'-enden. Der findes fire forskellige slags nukleotider i DNA afhængigt af, om den cykliske base er adenin (A), guanin (G), thymin (T) eller cytosin (C). Arveinformationen er givet ved rækkefølgen af disse nukleotider, kaldet DNA-sekvensen.

Med undtagelse af nogle få virus, hvis arvemasse består af enkeltstrenget DNA (ssDNA), forekommer DNA som dobbeltstrenget DNA (dsDNA) i naturen. I Watson og Cricks model snor de to DNA-strenge sig om en fælles akse i en højredrejet dobbeltspiral-struktur (dobbelthelix), kun holdt sammen af relativt svage hydrogenbindinger mellem baserne. Parringen af baser i denne dobbeltspiral foregår således, at A altid er bundet til T, og at G altid er bundet til C. Den ene streng er med andre ord komplementær til den anden. Komplementariteteten mellem de to DNA-strenge stemmer smukt overens med den regel, som den amerikanske biokemiker Erwin Chargaff (1905-2002) havde formuleret i 1949 på basis af talrige forsøg. Reglen siger, at selvom forholdet mellem de forskellige nukleotider varierer i DNA fra forskellige arter, så svarer indholdet af A altid nøjagtigt til indholdet af T, og G altid til C.

DNA. DNA i den normale dobbeltspiralformede struktur. De to modsatrettede strenge løber parallelt og holdes sammen af svage brintbindinger mellem baserne. Som hovedregel gælder det, at guanin (G, lilla) altid danner par (baseparrer) med cytosin (C, blå) og adenin (A, grøn) med thymin (T, rød). Afstanden mellem baseparrene er normalt 0,34 nm. Baserne holdes på plads af ringformede sukkergrupper, der er koblet sammen i lange kæder vha. en fosfatgruppe (P). Retningen af hver DNA-streng angives ved betegnelsen på de kulstofatomer i sukkerdelen, der er forbundet til fosfatgruppen (5'-C og 3'-C). DNA-strengens ender benævnes derfor 5'- og 3'-enden. Den 2 nm brede DNA-spiral foretager en fuldstændig drejning for hver 3,4 nm og har en karakteristisk bred og smal fordybning i strukturen, kaldet hhv.  major og  minor groove. I pindemodellen af DNA ses, at de baseparrede cykliske ringsystemer, der udgør den centrale del af DNA-strukturen, ligger oven på hinanden som trappetrin i en vindeltrappe. Fosfaterne og sukkerdelen vender ud mod omgivelserne. Brint er ikke tegnet med. Spacefilling-modellen giver det mest realistiske billede af DNAs struktur; her er brintatomerne (lyseblå) medtaget, så man kan se, hvor kompakt molekylet egentlig er. De øvrige farvekoder er: kulstof (grå), kvælstof (mørkeblå), ilt (rød) og fosfor (orange). De to grooves ses tydeligt.

DNA. DNA i den normale dobbeltspiralformede struktur. De to modsatrettede strenge løber parallelt og holdes sammen af svage brintbindinger mellem baserne. Som hovedregel gælder det, at guanin (G, lilla) altid danner par (baseparrer) med cytosin (C, blå) og adenin (A, grøn) med thymin (T, rød). Afstanden mellem baseparrene er normalt 0,34 nm. Baserne holdes på plads af ringformede sukkergrupper, der er koblet sammen i lange kæder vha. en fosfatgruppe (P). Retningen af hver DNA-streng angives ved betegnelsen på de kulstofatomer i sukkerdelen, der er forbundet til fosfatgruppen (5'-C og 3'-C). DNA-strengens ender benævnes derfor 5'- og 3'-enden. Den 2 nm brede DNA-spiral foretager en fuldstændig drejning for hver 3,4 nm og har en karakteristisk bred og smal fordybning i strukturen, kaldet hhv. major og minor groove. I pindemodellen af DNA ses, at de baseparrede cykliske ringsystemer, der udgør den centrale del af DNA-strukturen, ligger oven på hinanden som trappetrin i en vindeltrappe. Fosfaterne og sukkerdelen vender ud mod omgivelserne. Brint er ikke tegnet med. Spacefilling-modellen giver det mest realistiske billede af DNAs struktur; her er brintatomerne (lyseblå) medtaget, så man kan se, hvor kompakt molekylet egentlig er. De øvrige farvekoder er: kulstof (grå), kvælstof (mørkeblå), ilt (rød) og fosfor (orange). De to grooves ses tydeligt.

De to DNA-strenge er antiparallelle, dvs. at de løber modsat hinanden, således at en 5'....3' DNA-streng baseparrer med en 3'....5' DNA-streng. Baseparrene er lokaliseret i centrum, og sukker- og fosfatgrupperne snor sig langs ydersiden, således at diameteren af dobbeltspiralen er 2 nm.

I den mest almindelige struktur (kaldet B-DNA) er der 10,4 basepar for hver spiralomdrejning, som i alt måler ca. 3,4 nm af spiralens længde. Dobbeltspiralen har to karakteristiske kløfter, der alternerer i overfladestrukturen, en smal kløft, ofte kaldet minor groove, og en bred kløft, kaldet major groove. Selv om baserne i nukleotiderne vender ind mod centrum af dobbeltspiralen og så at sige er skjult i molekylets midte, er det muligt for proteiner at opnå kontakt med baserne gennem de to kløfter i DNA-molekylet. Dette muliggør en samvirken mellem en nukleotidrækkefølge i DNA og forskellige specifikke DNA-bindende proteiner, som genkender denne rækkefølge.

I bakterielle kromosomer, visse DNA-virus, mitokondrier, kloroplaster og de fleste plasmider danner DNA-spiralen en cirkulær struktur (cccDNA, covalently closed circular DNA), dvs. at DNA har ingen frie ender. Det har den konsekvens, at DNA kan have forskellige grader af snoning. Hvis DNA er snoet som i lineært B-DNA, siges det at være relaxed (eng. 'afslappet'). I cellen er DNA ofte snoet endnu mere, hvilket resulterer i, at hele dobbeltspiralen snor op omkring sig selv (supersnoning). Det svarer til en elastik, som bliver snoet for meget og krøller sammen i en mere kompleks struktur. Snoningen af DNA i cellen foregår vha. specielle enzymer, topoisomeraser, der er i stand til at kløve de covalente bindinger i DNA-strengen, sno den og derefter binde enderne sammen igen.

Kerne-DNA i eukaryote celler består af et antal lineære dsDNA-molekyler foldet sammen i makroskopiske strukturer, kromosomer. DNA i en diploid menneskecelle er fordelt på to sæt a 23 kromosomer, der sammenlagt indeholder ca. 6 mia. basepar DNA, svarende til ca. 2 m DNA. Da kernen i en menneskecelle typisk er ca. 1/100 mm i diameter, må DNA nødvendigvis pakkes sammen i en meget kompakt struktur sammen med proteiner, kromatin. DNA er først viklet op omkring nogle små, ofte kugleformede proteiner, histoner. Denne enhed kaldes et nukleosom. Nukleosomerne er organiseret i karakteristiske højereordens strukturer, der fx under celledelingen kan iagttages som armene i kromosomerne.

Replikation

DNA. 1 Kopieringen af DNA foregår ved en såkaldt replikationsproces. De to strenge adskilles, hvorefter hver streng fungerer som skabelon for syntesen af en ny streng.  2 Replikationsprocessen foregår i en  replikationsgaffel og involverer en række forskellige enzymer i cellen. Enzymet helicase bryder baseparringen og adskiller de to strenge. For at undgå at DNA-strengene baseparrer igen, bindes en gruppe af  single strand binding proteins til de enkeltstrengede områder. Selve kopieringen foretages af enzymet DNA-polymerase, der laver en ny kopi af hver af de to oprindelige strenge. Den ene streng (leading strand) kopieres i en kontinuerlig proces, hvorimod den anden streng (lagging strand) kopieres i små stykker, som bagefter sættes sammen vha. enzymet DNA-ligase. Desuden kræver lagging strand-syntesen, at et primase-enzym syntetiserer nogle korte RNA-strenge (primere), der fungerer som startmateriale for DNA-syntesen. Senere fjernes dette RNA igen af DNA-polymerasen. Da DNA er snoet, kræver processen, at snoningen hele tiden fjernes foran replikationsgaffelen af enzymer, der kaldes topoisomeraser.

DNA. 1 Kopieringen af DNA foregår ved en såkaldt replikationsproces. De to strenge adskilles, hvorefter hver streng fungerer som skabelon for syntesen af en ny streng. 2 Replikationsprocessen foregår i en replikationsgaffel og involverer en række forskellige enzymer i cellen. Enzymet helicase bryder baseparringen og adskiller de to strenge. For at undgå at DNA-strengene baseparrer igen, bindes en gruppe af single strand binding proteins til de enkeltstrengede områder. Selve kopieringen foretages af enzymet DNA-polymerase, der laver en ny kopi af hver af de to oprindelige strenge. Den ene streng (leading strand) kopieres i en kontinuerlig proces, hvorimod den anden streng (lagging strand) kopieres i små stykker, som bagefter sættes sammen vha. enzymet DNA-ligase. Desuden kræver lagging strand-syntesen, at et primase-enzym syntetiserer nogle korte RNA-strenge (primere), der fungerer som startmateriale for DNA-syntesen. Senere fjernes dette RNA igen af DNA-polymerasen. Da DNA er snoet, kræver processen, at snoningen hele tiden fjernes foran replikationsgaffelen af enzymer, der kaldes topoisomeraser.

En direkte konsekvens af Watson og Cricks model er, at dobbeltstrenget DNA indeholder to komplementære kopier af den genetiske information, en egenskab, der udnyttes i kopieringen (replikationen) af DNA. DNA-replikation sker umiddelbart før celledeling og resulterer i to identiske kopier af det oprindelige DNA-molekyle.

Processen foregår ved, at de to strenge i dobbeltspiralen skilles ad ved en kompliceret mekanisme, der bl.a. involverer enzymet DNA-helicase. Hver DNA-streng anvendes derefter som skabelon for syntesen af en ny, komplementær DNA-streng. DNA-syntesen foregår fra 5' mod 3'-retningen vha. enzymet DNA-polymerase, som aflæser baserne i skabelonen og forlænger DNA-kæden ved at indsætte et nukleotid ud fra reglen, at A skal sidde over for T og G over for C. Processen kaldes en semikonservativ kopiering, idet hvert dattermolekyle indeholder en streng fra det oprindelige DNA-molekyle, der udgjorde skabelonen, samt en nysyntetiseret DNA-streng.

Syntesen af den streng, der foregår i 5' mod 3'-retningen, er relativt enkel, idet den foregår i samme retning som adskillelsen af strengene. Syntesen af 3'....5'-strengen er mere kompleks: DNA-polymerasen syntetiserer en række små fragmenter (Okazaki-fragmenter), som senere kobles sammen af et andet enzym, DNA-ligase.

I visse biologiske systemer sker kopiering af DNA med en anden type ribonukleotid, RNA, som skabelon. Til denne kopiering bruges en DNA-polymerase, der kaldes revers transkriptase. Det blev første gang karakteriseret som en komponent i den gruppe virus, som benævnes retrovirus. "Revers" beskriver det på daværende tidspunkt overraskende moment, at informationen kunne flyde fra RNA til DNA i modsætning til den normale retning fra DNA til RNA.

Informationen i DNA

Informationen i DNA er opdelt i gener, der hver især koder for et RNA-molekyle. Kopiering af DNA til RNA, transkription, varetages af enzymet RNA-polymerase i samspil med en række proteinfaktorer. RNA-molekylerne anvendes i nogle tilfælde direkte i cellens funktion, hvilket gælder bl.a. transfer RNA (tRNA) og ribosomal RNA (rRNA), der er vigtige komponenter i proteinsyntesen. En anden gruppe RNA (mRNA; eng. messenger 'budbringer') videregiver genernes information fra DNA til ribosomerne, hvor oversættelsen fra en nukleotidrækkefølge til en rækkefølge af aminosyrer i et protein finder sted. Denne oversættelse, translation, foregår efter en grundlæggende ordbog kaldet den genetiske kode. Alle 20 naturligt forekommende aminosyrer er kodet af mindst ét, men ofte flere, "ord" bestående af tre nukleotider, kaldet en codon. Fx angiver GGG, at der skal være aminosyren glycin i proteinet, og TGA er et terminerings-codon, et signal om, at proteinsyntesen skal stoppes.

DNA. Kopieringen af DNA til RNA kaldes transkription. Enzymet RNA-polymerase aflæser kun den ene streng af DNA (template strengen eller antisense strengen) og producerer derved en komplementær RNA-streng. Bemærk, at uridin (U) i RNA baseparrer til deoxyadenosin (A), ligesom deoxythymidin (T) gør det i DNA. Den inaktive DNA-streng korresponderer sekvensmæssigt til RNA-strengen og kaldes derfor ofte sense-strengen.

DNA. Kopieringen af DNA til RNA kaldes transkription. Enzymet RNA-polymerase aflæser kun den ene streng af DNA (template strengen eller antisense strengen) og producerer derved en komplementær RNA-streng. Bemærk, at uridin (U) i RNA baseparrer til deoxyadenosin (A), ligesom deoxythymidin (T) gør det i DNA. Den inaktive DNA-streng korresponderer sekvensmæssigt til RNA-strengen og kaldes derfor ofte sense-strengen.

Ud over den kodende del af DNA findes der sekvenser, der kontrollerer udtrykkelsen af generne. Eksempler på kontrolregioner i DNA er promotorer og terminatorer, der hhv. styrer begyndelsen og afslutningen af RNA-transkriptionen af et imellemliggende gen, samt enhancere og silencere, der hhv. op- og nedregulerer transkriptionen.

Andre DNA-regioner som fx centromere og telomere sekvenser spiller en rolle for DNAs overordnede struktur i kromosomerne, som det ses i eukaryote celler. Omfanget af disse ikke-kodende, men funktionelt vigtige sekvenser er dårligt karakteriseret, bl.a. fordi man formodentlig langtfra kender funktionen af alle sådanne elementer endnu.

Mængden af DNA i en celle eller virus afspejler ikke direkte mængden af anvendelig information. I mennesker og højerestående dyr har naturen tilsyneladende frådset med mængden af DNA. Kun ca. 5 % menes at indeholde kodende sekvenser, og over 90 % af DNA kender man ikke funktionen af. Til denne sidstnævnte gruppe hører store områder af humant DNA, der udelukkende består af repeterede sekvenser af varierende længde. Disse sekvenser deles ind i to klasser: SINEs (Short Interspersed Elements, 13 % af genomet), hvor den repeterede DNA-sekvens er mindre end 500 basepar, og LINEs (Long Interspersed Elements, 21 % af genomet), hvor den repeterede sekvens er over 5000 basepar lang.

Et eksempel på repeterede DNA-sekvenser af SINE-typen er Alu-sekvenser, som er opkaldt efter restriktionsenzymet Alu-I, der skærer i denne type DNA-sekvens. Alu-sekvenser består af irregulære repeterede sekvensenheder på ca. 300 basepar, der forekommer 700.000-900.000 gange i genomet, svarende til ca. 10 % af arvemassen.

Kendetegnende for genstrukturen i eukaryote celler er også, at dele af det transkriberede RNA ofte bliver fjernet og bortkastet ved en proces kaldet RNA-splejsning. Den bortkastede del af genet kaldes introns (udgør 30 % af genomet) i modsætning til den tilbageblevne information, der kaldes exons (udgør få % af genomet). Specielt i højerestående dyr og mennesker kan introns være meget store (op til 200.000 basepar), og der findes eksempler på gener, der strækker sig over flere mio. basepar, men hvor mindre end 1 % af denne information bruges til at kode for protein. En funktionel begrundelse for denne uøkonomiske opbevaring af information er stadig ikke fundet af forskerne, men det står nu klart, at introns kan indeholde vigtige sekvenser, fx findes mange gener for små RNA-molekyler i introns.

Bakteriers arvemasse er væsentlig mindre end hos mennesker og dyr. Fx indeholder bakterien Escherichia coli "kun" ca. 4 mio. basepar, men tætheden af kodende DNA-sekvens er væsentlig højere, idet ca. 50% menes at være kodende sekvens. Denne forskel skyldes til dels, at bakterielle gener generelt ikke indeholder den type af introns, der er hyppigst hos eukaryoter.

I virus, som typisk har et genom på 5000-100.000 basepar, er informationen normalt endnu mere koncentreret, og der findes ekstreme eksempler på, at den samme DNA-sekvens kan kode for tre forskellige proteiner ved at anvende overlappende codons, fx i hiv-virus.

Mutation og reparation

Kemisk nedbrydning af DNA samt fejl under replikationsprocessen medfører, at der undertiden opstår ændringer i DNA-sekvensen, mutation. Det er kilden til genetiske forandringer og dermed til arternes udvikling. Hvis man antager, at mutationshastigheden er nogenlunde konstant i forskellige organismer, og at vi alle nedstammer fra en fælles forfader, vil forskellen mellem to arters specifikke DNA-sekvenser være et mål for den tid, der er gået, siden de pågældende arter skilte sig ud. Sådanne genetiske undersøgelser har gjort det muligt at opstille et nogenlunde nøjagtigt stamtræ for endog fjernt beslægtede organismer.

Under visse omstændigheder kan mutationsraten i DNA ændres voldsomt. Det kan fx ske, hvis organismen udsættes for visse kemiske stoffer, mutagener, eller for stråling, hvorved DNA skades. Cellen har et DNA-reparationssystem, der igangsættes, når der opstår skader, og som søger at rekonstruere den oprindelige sekvens. På trods af DNA-reparationssystemet sker der uoprettelige skader på DNA, og selvom de fleste mutationer ikke har nogen åbenbar effekt på cellens funktion, rammes undertiden vitale områder, således at cellen dør. I andre tilfælde medfører mutationen, at kontrollen af celledelingen inaktiveres, hvilket ofte fører til, at cellen transformeres, dvs. udvikler sig til en kræftcelle.

DNA-manipulation

Specielt siden 1970'erne er der udviklet en række bioteknologiske metoder til at analysere og manipulere DNA i et prøverør (se DNA-analyse, bioteknologi, genteknologi). Blandt de største fremskridt er muligheden for at bestemme rækkefølgen af nukleotider (se DNA-sekventering), isoleringen af bakterieenzymer, som er i stand til at kløve DNA ved veldefinerede nukleotidsekvenser (restriktionsenzymfordøjelse), at sammenkoble to forskellige stykker DNA (DNA-ligering), indsættelse af manipuleret DNA i mikroorganismer (transformation) og amplificering af DNA i plasmider eller DNA-virus (DNA-kloning).

Samtidig blev der inden for organisk kemi udviklet effektive metoder til syntese af kunstigt DNA i størrelse op til 100 nukleotider. Disse korte DNA-stykker (oligonukleotider) vandt hurtigt stor udbredelse i bioteknologiske processer: Det blev nu muligt at syntetisere specifikt muterede DNA-sekvenser, som derefter kunne indsættes på kontrolleret vis i organismen og testes for biologisk aktivitet. Polymerasekædereaktionen (PCR), der har gjort det muligt at opformere udvalgte områder af DNA i et prøverør på en hurtig og nem måde, bygger ligeledes på anvendelse af DNA-oligonukleotider.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Henrik Nielsen, Jørgen Kjems: DNA i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 22. november 2017 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=65612