DNA – czym jest kwas deoksyrybonukleinowy i jak przechowuje informację genetyczną?

DNA to cząsteczka przechowująca informację genetyczną potrzebną do rozwoju, funkcjonowania i rozmnażania organizmu. Jej sekwencja wpływa na budowę oraz aktywność komórek, lecz większość cech człowieka zależy również od regulacji genów, środowiska i wzajemnego oddziaływania wielu procesów biologicznych.

• Zapis biologiczny wynika z kolejności czterech zasad tworzących długie łańcuchy.
• Dwie nici łączą się według stałych reguł, co umożliwia dokładne kopiowanie cząsteczki.
• Większość zapisu człowieka znajduje się w chromosomach, a niewielka część także w mitochondriach.
• Gen jest fragmentem sekwencji pełniącym określoną funkcję, ale nie każda sekwencja koduje białko.
• Analizy laboratoryjne wykorzystuje się w diagnostyce, ustalaniu pokrewieństwa i kryminalistyce.

Zobacz też: Przejedzenie – objawy, sposoby łagodzenia i moment, w którym potrzebna jest pomoc

Jak jest zbudowane DNA i czym jest podwójna helisa?

Cząsteczka ma postać dwóch długich nici skręconych wokół wspólnej osi, czyli podwójnej helisy. Model ten został przedstawiony w 1953 roku przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka na podstawie dostępnych danych chemicznych oraz wyników dyfrakcji rentgenowskiej, do których kluczowy wkład wnieśli Rosalind Franklin i Maurice Wilkins. Zaproponowana budowa wyjaśniła jednocześnie sposób przechowywania zapisu biologicznego i możliwość jego kopiowania.

Podstawową jednostką każdej nici jest nukleotyd. Składa się on z deoksyrybozy, reszty kwasu fosforowego oraz jednej zasady azotowej. Cukier i fosfor tworzą zewnętrzny szkielet łańcucha, natomiast zasady są skierowane do jego wnętrza. Wyróżnia się cztery ich rodzaje: adeninę, tyminę, cytozynę i guaninę. To kolejność tych elementów stanowi zapis instrukcji biologicznych.

Zasada komplementarności określa sposób łączenia obu nici. Adenina tworzy parę z tyminą, a cytozyna z guaniną. Dzięki temu kolejność elementów na jednej nici pozwala odtworzyć kolejność na drugiej. Wiązania pomiędzy parami są na tyle stabilne, aby utrzymywać całą strukturę, a jednocześnie mogą zostać czasowo rozdzielone podczas kopiowania lub odczytywania sekwencji.

Dwie nici biegną w przeciwnych kierunkach chemicznych. Taka orientacja ma znaczenie dla działania enzymów uczestniczących w ich syntezie i naprawie. Cząsteczka nie jest więc prostą drabiną, lecz uporządkowaną przestrzennie strukturą współpracującą z licznymi białkami.

Każdy nukleotyd zawiera:

• Deoksyrybozę stanowiącą cukrowy element szkieletu.
• Resztę kwasu fosforowego łączącą sąsiednie jednostki.
• Jedną z czterech zasad tworzących zapis sekwencji.
• Wiązania umożliwiające powstanie trwałego łańcucha.
• Miejsce rozpoznawane przez enzymy kopiujące i naprawiające cząsteczkę.

Gdzie znajduje się materiał genetyczny i jak działają geny oraz chromosomy?

Materiał genetyczny komórek eukariotycznych znajduje się przede wszystkim w jądrze komórkowym, gdzie jest uporządkowany w chromosomy. Każdy chromosom zawiera długą cząsteczkę połączoną z białkami, między innymi histonami. Takie upakowanie pozwala umieścić bardzo długie nici w niewielkiej przestrzeni, zabezpiecza je przed uszkodzeniem i uczestniczy w regulowaniu dostępu do poszczególnych fragmentów.

Większość ludzkich komórek somatycznych zawiera 23 pary chromosomów, czyli łącznie 46. Po jednym elemencie każdej pary pochodzi zwykle od matki, a drugi od ojca. Ludzki genom jądrowy obejmuje około trzech miliardów par zasad i około 20 tysięcy genów kodujących białka. Liczba genów nie odpowiada jednak bezpośrednio złożoności organizmu, ponieważ znaczenie ma również sposób ich regulacji, łączenia fragmentów RNA i wzajemnego oddziaływania produktów genowych.

Gen jest odcinkiem sekwencji, którego aktywność prowadzi do powstania funkcjonalnego produktu, najczęściej RNA lub białka. Białka mogą pełnić funkcje enzymatyczne, budulcowe, transportowe i sygnałowe. Nie każdy fragment genomu jest jednak genem kodującym białko. Duża część uczestniczy w regulacji, organizacji chromosomów albo wytwarzaniu niekodujących cząsteczek RNA.

Cechy dziedziczne rzadko wynikają z działania pojedynczego genu. Grupa krwi może być silnie związana z określonymi wariantami genetycznymi, lecz wzrost, masa ciała, ciśnienie czy podatność na częste choroby zależą zwykle od wielu wariantów i warunków środowiskowych. Również wykrycie wariantu związanego z chorobą nie zawsze oznacza pewność zachorowania.

Mitochondria posiadają własny, niewielki genom zlokalizowany poza jądrem. Ludzki mtDNA zawiera 37 genów, z których część uczestniczy w wytwarzaniu elementów niezbędnych do oddychania komórkowego i produkcji energii. Funkcjonowanie tych organelli zależy jednak głównie od licznych produktów kodowanych w jądrze i transportowanych do ich wnętrza.

U człowieka mitochondrialny zapis jest dziedziczony zasadniczo w linii matczynej. Doniesienia sugerujące regularne przekazywanie go przez ojca pozostają kontrowersyjne, a część takich obserwacji można wyjaśnić obecnością fragmentów mitochondrialnych włączonych do genomu jądrowego.

Organizacja zapisu zależy od typu komórki:

• Eukarionty przechowują większość sekwencji w jądrze.
• Mitochondria zawierają własny niewielki genom.
• Prokarionty nie mają typowego jądra otoczonego błoną.
• U bakterii główna cząsteczka znajduje się w obszarze cytoplazmy nazywanym nukleoidem.
• Niektóre wirusy mają genom zbudowany z tej cząsteczki, a inne wykorzystują RNA.

Jak przebiega replikacja DNA i na czym polega dziedziczenie?

Replikacja DNA polega na utworzeniu kopii całej cząsteczki przed podziałem komórki. Najpierw obie nici zostają miejscowo rozdzielone, a następnie każda z nich pełni funkcję matrycy, według której enzymy budują nową nić. Zasada komplementarności umożliwia zachowanie właściwej kolejności nukleotydów.

Proces ma charakter semikonserwatywny. Oznacza to, że każda powstała cząsteczka zawiera jedną nić pochodzącą ze struktury macierzystej i jedną nowo wytworzoną. Mechanizm ten został potwierdzony w klasycznym doświadczeniu Matthew Meselsona i Franklina Stahla opublikowanym w 1958 roku. Badacze śledzili rozdział cząsteczek znakowanych różnymi izotopami azotu w kolejnych pokoleniach bakterii.

Kopiowanie jest bardzo dokładne, ale nie całkowicie bezbłędne. Polimerazy dobierają odpowiednie nukleotydy, kontrolują część świeżo utworzonej nici, a dodatkowe układy naprawcze usuwają wiele nieprawidłowości. Zmiana, która nie zostanie naprawiona, może stać się trwałą mutacją. Jej skutek zależy od miejsca powstania – część pozostaje neutralna, część wpływa na działanie genu, a niektóre może zwiększać ryzyko choroby.

Przed podziałem komórki kopiowane są wszystkie chromosomy, aby komórki potomne otrzymały kompletny zestaw instrukcji. Podczas powstawania komórek rozrodczych przebieg podziału jest inny niż w zwykłych komórkach somatycznych. Potomstwo otrzymuje wówczas po jednym zestawie chromosomów od każdego z rodziców, a rekombinacja tworzy nowe kombinacje wariantów.

Dziedziczenie nie oznacza przekazywania gotowej cechy w niezmiennej postaci. Przekazywane są warianty sekwencji, które mogą wpływać na prawdopodobieństwo określonego fenotypu. Efekt zależy także od innych genów, regulacji ich aktywności, wieku, sposobu odżywiania, ekspozycji środowiskowych i przypadkowych procesów zachodzących w rozwoju.

Zmiany sekwencji mogą powstawać:

• Podczas kopiowania przed podziałem komórki.
• Pod wpływem promieniowania lub niektórych substancji chemicznych.
• W wyniku naturalnych przemian chemicznych zachodzących w komórce.
• W komórkach rozrodczych, co umożliwia przekazanie zmiany potomstwu.
• W komórkach somatycznych, bez dziedziczenia zmiany przez dzieci.

Do czego wykorzystuje się badania DNA?

Badania DNA wykorzystuje się do rozpoznawania części chorób genetycznych, oceny pokrewieństwa, identyfikacji osób oraz prowadzenia badań biologicznych. Wynik zawsze należy interpretować zgodnie z celem analizy, zastosowaną metodą i jakością pobranego materiału. Jeden test nie dostarcza kompletnej informacji o stanie zdrowia ani przyszłości badanej osoby.

W diagnostyce medycznej można analizować pojedynczy gen, zestaw genów, wszystkie odcinki kodujące albo niemal cały genom. Wybór zależy od objawów i podejrzewanej choroby. Wykryty wariant może zostać sklasyfikowany jako chorobotwórczy, prawdopodobnie chorobotwórczy, łagodny albo mający niepewne znaczenie. Ta ostatnia kategoria nie stanowi potwierdzenia diagnozy i nie powinna automatycznie prowadzić do leczenia.

Znajomość przyczyny molekularnej może umożliwić wcześniejsze kontrole, dopasowanie profilaktyki, wybór terapii lub zbadanie krewnych. Nie dla każdej choroby istnieje jednak skuteczne postępowanie zapobiegawcze. Z tego względu przed szerokim testowaniem, zwłaszcza osoby bez objawów, warto omówić możliwe wyniki i ich konsekwencje z lekarzem lub specjalistą poradnictwa genetycznego.

Testy ojcostwa i analizy pokrewieństwa porównują liczne zmienne fragmenty genomu. Duża zgodność określonych markerów może bardzo silnie potwierdzać biologiczną relację, a niezgodności w kluczowych miejscach mogą ją wykluczać. Badanie wykonywane do celów sądowych wymaga kontrolowanego pobrania próbek i potwierdzenia tożsamości uczestników.

Kryminalistyka wykorzystuje ślady biologiczne, takie jak krew, ślina, nasienie, włosy z cebulką lub komórki naskórka. Profil uzyskany z materiału porównuje się z próbką referencyjną albo bazą danych. Zgodność profili nie jest jednak sama w sobie opisem czasu, sposobu ani okoliczności pozostawienia śladu. Interpretacja musi uwzględniać możliwość mieszaniny materiału, zanieczyszczenia i pośredniego przeniesienia.

Sekwencjonowanie polega na ustaleniu kolejności zasad w badanej próbce. Rozwój tych technologii umożliwił realizację Projektu Poznania Genomu Człowieka, a następnie dokładniejsze analizowanie różnic między ludźmi, mechanizmów chorób i ewolucji.

Najważniejsze zastosowania obejmują:

• Potwierdzanie przyczyny wybranych chorób dziedzicznych.
• Ocenę nosicielstwa określonych wariantów.
• Dobieranie części leków na podstawie farmakogenetyki.
• Ustalanie biologicznego pokrewieństwa.
• Analizę śladów w postępowaniach kryminalistycznych.
• Badania nad ewolucją, populacjami i różnorodnością organizmów.

Pytania i odpowiedzi

Czy każdy człowiek ma takie samo DNA?

Ludzkie genomy są do siebie bardzo podobne, ale występują między nimi miliony różnic. Większość nie powoduje choroby. Część wpływa na wygląd, metabolizm, działanie leków lub podatność na określone problemy zdrowotne.

Czy gen i DNA oznaczają to samo?

Nie. Gen jest określonym fragmentem długiej cząsteczki, który prowadzi do powstania funkcjonalnego produktu. Cały genom zawiera zarówno geny, jak i liczne obszary niekodujące białek.

Czy wszystkie komórki człowieka mają identyczny zapis genetyczny?

Większość komórek somatycznych pochodzi od jednej komórki i ma zasadniczo ten sam genom jądrowy. Z czasem mogą jednak pojawiać się mutacje somatyczne. Dojrzałe krwinki czerwone nie mają jądra, a komórki rozrodcze zawierają pojedynczy zestaw chromosomów.

Czy wirusy zawsze mają DNA?

Nie. Genom części wirusów jest zbudowany z tej cząsteczki, natomiast inne przechowują zapis w RNA. Sposób kopiowania zależy od typu wirusa i wykorzystywanych przez niego enzymów.

Czy badanie genetyczne może przewidzieć każdą chorobę?

Nie. Test może wiarygodnie ocenić niektóre warianty, lecz większość częstych chorób zależy od wielu genów, wieku, środowiska i stylu życia. Wynik często opisuje prawdopodobieństwo, a nie pewność zachorowania.

Czy DNA zmienia się w ciągu życia?

Tak. W komórkach mogą powstawać mutacje somatyczne wskutek błędów kopiowania i działania czynników uszkadzających. Zmiany te zwykle nie są przekazywane dzieciom, chyba że dotyczą komórek rozrodczych.

Czy test z internetu wystarcza do rozpoznania choroby genetycznej?

Nie zawsze. Test konsumencki może nie obejmować wszystkich istotnych wariantów, a jego wynik może wymagać potwierdzenia metodą diagnostyczną. Decyzji medycznych nie należy podejmować bez interpretacji klinicznej.

Czy z próbki śliny można uzyskać wiarygodny profil?

Tak, ponieważ ślina zawiera komórki nabłonka. Wiarygodność zależy jednak od prawidłowego pobrania, zabezpieczenia próbki, użytej metody i celu analizy.

Źródła

1. Watson J.D., Crick F.H.C. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. „Nature”, 1953. Klasyczna publikacja przedstawiająca model podwójnej helisy.
2. Meselson M., Stahl F.W. The Replication of DNA in Escherichia coli. „Proceedings of the National Academy of Sciences”, 1958. Badanie potwierdzające semikonserwatywny mechanizm kopiowania.
3. National Human Genome Research Institute. Deoxyribonucleic Acid Fact Sheet. Opracowanie dotyczące budowy, zasad azotowych, genów i ludzkiego genomu.
4. National Human Genome Research Institute. Chromosomes Fact Sheet. Informacje o budowie chromosomów i upakowaniu cząsteczek z udziałem histonów.
5. National Human Genome Research Institute. Human Genome Project Fact Sheet. Informacje o sekwencjonowaniu oraz znaczeniu Projektu Poznania Genomu Człowieka.
6. Shadel G.S., Clayton D.A. Mitochondrial DNA Maintenance in Vertebrates. „Annual Review of Biochemistry”, 1997; oraz Expression and Maintenance of Mitochondrial DNA, 2008. Opracowania dotyczące funkcji i utrzymania genomu mitochondrialnego.