DNA-struktur och funktion: Den centrala dogmen

DNA-struktur och funktion

• DNA är en dubbelhelix uppbyggd av två komplementära polynukleotidsträngar sammanhållna av vätebindningar mellan kvävebaserna.
• Strängarna är antiparallella (5'→3' och 3'→5').
• Cytosin (C) binder till Guanin (G) med tre vätebindningar.
• Adenin (A) binder till Tymin (T) med två vätebindningar.
• DNA bär den genetiska informationen som styr proteiners struktur, uttryck och funktion.
• DNA har en bredare major groove och en smalare minor groove.
• DNA-bindande proteiner binder oftast till major groove, medan minor groove binder proteiner i mindre utsträckning.

Från DNA till protein – den centrala dogmen

• Genetisk information flödar från DNA till RNA till protein.
• Transkription innebär att DNA används som mall för att skapa mRNA.
• Translation innebär att ribosomer översätter mRNA till proteiner.
• En gen är ett DNA-segment som kodar för ett protein eller en RNA-molekyl.
• Mallsträngen (icke-kodande) används för att skapa RNA.
• Den kodande strängen har samma sekvens som mRNA, förutom att T ersätts med U.
• RNA fungerar som informationsbärare och byggställning i cellen.

Eukaryota cellers genom och kromosomer

• Människan har 46 kromosomer, varav 22 autosomala par och könskromosomer (XX eller XY).
• Histoner packar DNA och bildar kromatin.
• Icke-histonproteiner reglerar genuttryck, kromatinstruktur och DNA-reparation.
• Genernas organisation i kromosomer inkluderar exoner (kodande delar) och introner (icke-kodande delar).
• Genfördelningen varierar mellan kromosomer, och genomets storlek och antal kromosomer varierar mellan arter.

Cellcykeln och DNA-replikation

• Cellcykeln består av interfas (G1, S, G2) och mitos (M-fas).
• Interfas innefattar tillväxt (G1), DNA-replikation (S) och förberedelse för celldelning (G2).
• Mitos innebär celldelning.
• Telomerer skyddar kromosomändar, replikationsstart är platsen för DNA-replikationens början, och centromerer är fästen för mikrotubuli vid celldelning.
• Under mitosen kondenseras DNA till mitotiska kromosomer.
• Mikrotubuli fäster vid centromererna och delar systerkromatiderna.
• Varje ny cell får en identisk uppsättning av DNA, med en kromosom från varje förälder (paternell och maternell).

Histoner och DNA-packning

• DNA komprimeras genom att lindas runt histoner och bildar nukleosomer för att få plats i cellkärnan.
• Varje nukleosom består av åtta histoner (en histonoktamer): 2x H2A, 2x H2B, 2x H3, 2x H4.
• Histoner är positivt laddade och binder till det negativt laddade DNA.
• Histoner har N-terminala svansar som kan modifieras för att påverka DNA:s tillgänglighet.

DNA-packning

• Nukleosomer bildas av DNA lindat runt histoner.
• En 30-nm-fiber är en tätare packning stabiliserad av histon H1 (linker-histon).
• Loopar och proteinkomplex organiserar DNA ytterligare.
• Kohesin skapar större loopar, medan clamp-proteiner stabiliserar loopstrukturen.
• Kondensiner ersätter kohesin vid celldelning och packar DNA tätare.
• Vid övergången från interfas till mitos skapas ytterligare packning med hjälp av kondensin 2 (stora loopar) och kondensin 1 (mindre loopar inom de större), båda ATP-beroende.

Reglering av kromosomstruktur

• ATP-beroende kromatinremodelleringskomplex flyttar DNA runt histoner för att påverka transkriptionstillgängligheten.
• Histonsvansar kan modifieras genom kemiska förändringar.
• Acetylering (på lysiner) lösgör kromatin och ökar genuttryck.
• Fosforylering och metylering påverkar DNA:s tillgänglighet och genaktivitet.
• Dessa modifieringar fungerar som "flaggor" för att signalera om en gen ska vara aktiv eller inaktiv.
• Eukromatin är löst packat och aktivt transkriberat DNA, medan heterokromatin är tätt packat, inaktivt och inte avläst.
• Heterokromatin kan öppnas upp genom kromatinremodelleringskomplex eller modifiering av histonsvansar.

DNA-replikation

• DNA-replikation är processen där cellen kopierar sitt DNA före celldelning.
• Denna process är semikonservativ, vilket innebär att varje ny DNA-molekyl består av en gammal sträng från modercellen och en nybildad sträng.
• Efter två celldelningar har två av fyra dotterceller en av modercellens ursprungliga DNA-strängar kvar.
• DNA-helikas öppnar DNA-helixen.
• En replikationsbubbla bildas.
• Replikationen är bidirektionell, vilket innebär att kopieringen sker åt båda hållen.
• DNA-polymeras bygger den nya DNA-strängen genom att läsa av templatsträngen (3' till 5') och bygga en ny, komplementär sträng, enbart i 5' till 3'-riktning.
• Nukleosidtrifosfater används som byggstenar och genererar energi när de läggs till.
• Bindningen mellan nukleotiderna kallas fosfodiesterbindning och skapas genom att vatten avges i en kondensationsreaktion.
• Den ledande strängen byggs kontinuerligt i replikationsgaffelns riktning, medan den släpande strängen byggs diskontinuerligt i korta bitar (Okazaki-fragment).
• Den släpande strängen byggs genom att helikas öppnar DNA, RNA-primas skapar RNA-primers, DNA-polymeras bygger DNA från primern, nukleas tar bort RNA-primern, reparationspolymeras ersätter den med DNA, och DNA-ligas limmar ihop fragmenten.
• Telomerer förkortas vid celldelning och skyddas av telomeras, ett enzym som förlänger telomererna genom att binda till 3'-änden, använda en RNA-mall för att förlänga telomersekvensen och möjliggöra för DNA-polymeras att komplettera den släpande strängen.
• Telomerer och cellens livslängd är sammankopplade genom att telomerförkortning bidrar till åldrande och celldöd.
• För att skydda kromosomändarna bildas en T-loop där DNA-strängen viker sig och binder till sig själv.

DNA-reparation

• DNA-polymeras har en proofreading-funktion som rättar fel under replikationen genom att stoppa, ta bort felaktig nukleotid med exonukleasaktivitet (3' → 5') och sätta in en ny, korrekt nukleotid.
• Mismatch repair sker om fel passerar proofreading, där DNA-polymeras hittar felet, nukleas klipper bort felaktig nukleotid, reparations-DNA-polymeras fyller i rätt bas, och DNA-ligas limmar ihop DNA:t.
• Om fel inte rättas innan nästa replikation blir det en permanent mutation.
• Exempel på DNA-skador och deras effekter inkluderar deaminering (C blir U --> mutation), depurinering (DNA tappar en bas --> deletion/mutation) och tymindimerer (UV-strålning skadar DNA --> hudcancer).
• Mutationer är permanenta förändringar i DNA-sekvensen och kan orsaka genetiska sjukdomar som sicklecellanemi.
• Sammanfattningsvis är DNA-replikation semikonservativ och kräver DNA-polymeras och RNA-primer. Telomerer skyddar kromosomerna, och proofreading/mismatch repair håller mutationstakten låg.

Transkription

• mRNA bär den genetiska koden, tRNA transporterar aminosyror, och rRNA bygger upp ribosomer och katalyserar proteinsyntesen.
• Transkriptionen sker i cellkärnan (eukaryoter) eller cytoplasman (prokaryoter) och delas in i initiering, elongering och terminering.
• I prokaryoter sker transkriptionen i cytoplasman med ett enda RNA-polymeras, och mRNA kan translateras direkt.
• Initiering i prokaryoter kräver en sigma-faktor som hjälper RNA-polymeras att binda till en promotor.
• Elongering innebär att RNA-polymeras läser DNA-mallen (3' → 5') och bygger mRNA (5' → 3'), där uracil (U) ersätter tymin (T).
• Under termineringen avslutas transkriptionen när RNA-polymeras når en terminatorsekvens.
• Rho-oberoende terminering sker genom att RNA bildar en hårnålsstruktur, medan Rho-beroende terminering kräver ett Rho-protein.
• I eukaryoter sker transkriptionen i cellkärnan med tre olika typer av RNA-polymeras.
• Initiering i eukaryoter kräver transkriptionsfaktorer som TFIID som binder till TATA-boxen och hjälper RNA-polymeras att hitta rätt plats.
• mRNA måste processas genom 5'-capping, splicing (introner klipps bort, exoner sätts ihop) och 3'-polyadenylering innan det kan lämna cellkärnan.
• Termineringen i eukaryoter sker när RNA-polymeras II känner igen en polyadenyleringssignal och släpper från DNA:t.
• Moget mRNA transporteras ut ur kärnan genom kärnporkomplex, förutsatt att den har 5'-cap, saknar introner och har 3'-poly-A-svans.
• Reglering av transkription kan utföras av transkriptionsregulatorer (aktivatorer/repressorer).
• I prokaryoter regleras transkriptionen genom operon (t.ex. tryptofanoperonet, lac-operonet).
• I eukaryoter används kromatinremodellering, histonmodifiering, enhancers/silencers för genreglering.
• Prokaryoter och eukaryotr skiljer sig i transkription pga skillander i cellstruktur och ribosomer

Övrigt

• Gener uttrycks i olika celler olika beroende på behov.
• En differentierad cell är en special cell styrds av transkriptionsfaktorer cellminne kan skapas med med positiv återkopling DNA metylering och histonmodifikation
• Celler kan omprogrameras i labb Miljo genom tillsats av transkriptionsfaktörer Tex en bindvävscell till annan celltyp

Translation

• tRNA fungerar som en adapter mellan mRNA och aminosyror, där varje tRNA laddas med en specifik aminosyra av enzymet aminoacyl-tRNA-syntetas, vilket kräver ATP.
• Den genetiska koden består av 64 kodon, varav 61 kodar för aminosyror och 3 fungerar som stoppkodon (UAA, UAG, UGA).
• Translationen börjar vid startkodonet AUG (metionin).
• Ribosomen består av en liten och en stor subenhet.
• ribosomen har tre tRNA-bindningsställen: A (aminoacyl), P (peptidyl) och E (exit).
• RNA-polymeras kan själv hitta var genen börjar
• Translationen avslutas när ribosomen når ett stoppkodon, release-faktorer binder till A-positionen, en vattenmolekyl binds till polypeptidkedjan, och hela komplexet disassocierar.
• Restriktionsenzymer klipper DNA, DNA-ligas klistrar ihop, och gelelektrofores separerar DNA-fragment baserat på storlek.
• Plasmider används som vektorer för att klona gener, och E. coli används för att producera stora mängder protein.
• PCR kopierar specifika DNA-sekvenser, CRISPR/Cas9 modifier DNA på specifika ställen, och sekvensering identifierar mutationer.
• Begrepp som tRNA, aminoacyl-tRNA-syntetas, genetiska koden, startkodon, stoppkodon, läsram, ribosom, A/P/E-positioner, translationens faser (initiering elongering terminering) och restriktionsenzym är centrala.

Beskrivning av DNA:s struktur som en dubbelhelix med komplementära strängar. Förklaring av hur genetisk information flödar från DNA via RNA till protein genom transkription och translation. En gen definieras som ett DNA-segment som kodar för ett protein eller RNA.