DNA och genomet

Detta inlägg behandlar följande kursmål:

• Redogöra för kromatinets uppbyggnad, hur DNA replikeras och rekombineras i samband med celldelning, samt förklara mekanismer som bidrar till genomets integritet

---

Det centrala dogmat, DNA → RNA → protein

Kromatin, komplex av DNA, RNA och protein. Långa DNA-molekyler kompakteras i flera steg, vilket är nödvändigt vid celldelning, förhindrar DNA-skador och regulerar genexpression och DNA-replikation. DNA viras runt histoner, vilket bildar nuklesomer. Flera nukleosomer bildar sedan ett 30nm tjockt fiber, vilket virar ihop sig till en kromosom.

Nukleosom, består av DNA virat två varv runt en kärna av 8 histoner. DNA är negativt laddat och histoner är positivt laddade.

Eukromatin, lätt packat kromatin med många gener under aktiv transkription.

Heterokromatin, permanent kondenserat kromatin (6,5%) med låg genaktivitet.

Kromosom, DNA-molekyl med genetiskt material. Somatiska celler är diploida och har 46 kromosomer, vilket utgör 22 homologa, autosomala kromosompar och ett könskromosompar. Könsceller (gameter) är haploida och har endast 23 kromosomer. Mittpunkten på en kromosom kallas centromer, vilken håller ihop systerkromatider under celldelning. Vid celldelning kondenserar kromosomerna. Karyotyp är en bild av alla kromosomer i kondenserad form. Ändarna på kromosomen består av en upprepande nukleotidsekvens (TTAGGG), vilka kallas telomerer. Vid varje DNA-replikation förkortas telomererna, vilket restrikterar antalet gånger cellen kan dela sig (hayflick limit).

Gen, består av kodande exoner och icke-kodande introner.

DNA-REPLIKATION

DNA-replikation, syntetisering av DNA från parentell DNA-sträng (template strand). Semikonservativ process, eftersom varje dotter-duplex består av både en ny och en gammal sträng. Börjar på bestämda platser (origin of replication) på DNA-molekylen och sker i riktningen från 5’ till 3’.

Origin of replication, specifika nukleotidsekvenser där dubbelsträngen öppnas. Består huvudsakligen av adenin och tymin (TATA-box), då de binder till varandra med endast två vätebindningar som är enkla att bryta. Identifieras av initatorproteiner som bildar ett pre-replikationskomplex.

pre-replikationskomplex

DNA-replikation initieras enligt följande:

1. Helikas binder in och separerar dubbelsträngen
2. Single stranded DNA binding (SSB) proteiner binder till varje enkelsträng, vilket stabiliserar hindrar dem att binda till varandra igen
3. DNA-topoisomeras klipper upp en av strängarna längre fram på DNA-molekylen, låter den snurra runt sin egen axel och binder ihop strängen igen, vilket lättar på spänningen och ökar replikationshastigheten

Elongation kan ske på två olika sätt:

• Leading strand
  1. DNA-polymeras adderar nya nukleotider till 3’-änden utan avbrott
• Lagging strand
  1. RNA-primas bildar slumpmässigt korta sekvenser av RNA (primers) som binder till lagging strand
  2. DNA-polymeras binder till primers och fyller i sekvensen tills nästa primer, vilket kallas okazaki-fragment
  3. Primers tas bort av ett exonukleas och luckan fylls igen av DNA-polymeras
  4. DNA-ligas limmar ihop nukleotidfragmenten med varandra

DNA-polymeras, syntetiserar DNA-molekyler från DNA-nukleotider. Kan endast addera nya nukleotider till 3’-änden av en ny DNA-sträng, vilket resulterar i att elongering sker 5’ → 3’. Kan korrekturläsa nukleotidsekvensen och genomföra missmatch repair genom att agera som exonukleas.

Nukleas, enzym som klyver polynukleotidkedjor till nukleinsyror eller mindre enheter genom hydrolys som bryter fosfodiesterbindningar.

• Exonukleas, klyver nukleotider från änden av en polynukleotidkedja
• Endonukleas, klyver nukleotider i mitten av en polynukleotidkedja

Telomeras, replikerar telomererna på ändarna av kromosomer. Vanligtvis inaktivt, men kan aktiveras i cancerceller, vilket gör att de kan undvika replikativ senescens.

Rekombination, utbyte av homologa DNA-sekvenser mellan kromosompar. Kromosomerna binder till varandra på dessa områden, vilket kallas chiasma.

DNA-REPARATION

DNA-skador, läkemedels- eller strålningsframkallade skador på DNA som medför avvikelser från den normala dubbelspiralkonformationen. Om skadan är av mindre omfattning kan den repareras, men stor skada kan leda till apoptos (celldöd), senescens (cellcykel-arrest) eller okontrollerad celldelning (cancer).

• Pyrimidin-dimerer, två pyrimidiner binder till varandra och bildar en dimer, orsakas av UV-ljus, kallas även tymin-dimerer eftersom den varianten är vanligast
• Depurinering, adenin eller guanin försvinner och lämnar ett hål
• Deaminering, kvävegrupp försvinner från kvävebas genom hydrolys, C → U eller 5-metylcytosin (metylerat C) → T
• Icke-enzymatisk metylering, metylgrupp adderas på A eller G, vilket skapar toxiska 3-metyl-A och mindre skadliga 7-metyl-G, vilka skadar helixstrukturen och stör proteinbindning till DNA

Mutation, förändringar i nukleotidsekvensen. Kan ske spontant eller induceras av mutagener, t.ex strålning, kemikalier eller virus. Om mutationen sker i könsceller förs det vidare till senare generationer och ger det upphov till nya genvariationer i populationen (evolution). Somatiska mutationer påverkar endast individen själv.

• Punktmutationer (SNP), påverkar endast en nukleotid
  • konservativ → kodon kodar fortfarande för samma aminosyra eller annan aminosyra med liknande egenskaper (tyst mutation)
  • icke-konservativ → kodon kodar för annan aminosyra med andra egenskaper (missense) eller stoppkodon (nonsense)
• Indel (insertion och deletion), addition eller subtraktion av nukleotid
  • Frameshift, sker om antalet förändrade nukleotider inte är en multipel av tre, vilket leder till att läsramen förskjuts vid translation
• Repeterande sekvenser (tandem repeats), upprepning av korta nukleotidsekvenser, antalet upprepningar påverkar fenotypen
• Kromosommutationer
  • Abnormalt antal kromosomer
    • Aneuploidi, abnormalt antal kromosomer
    • Polyploiditet, cellen har mer än två kromosomuppsättningar
  • Abnormal kromosomstruktur, på grund av deletion, duplikation (dubbla uppsättning av gen), inversion (gen får förändrat locus) eller translokation (överkorsning med icke-homolog kromosom)

Polymorfism, innebär att det inom samma population finns två eller flera distinkta varianter av en gen.

Det finns olika typer av DNA-reparation:

• enkelsträng
  • Base excision repair (BER), avlägsnar skadade nukleotider och lämnar en lucka, som ett nukleas klipper bort och polymeras fyller igen
  • Nucleotide excision repair (NER), avlägsnar flera nukleotider samtidigt
  • Mismatch repair (MMR), felaktiga nukleotider avlägsnas och byts ut
• dubbelsträng
  • Icke-homolog sammanfogning (NHEJ), skada repareras genom att avlägsna angränsande nukleotider och sedan sammanfogas ändarna, felbenägen reparation eftersom genetisk information förloras
  • Homolog rekombination (HR), systerkromatiden används som mall för att återskapa den skadade sekvensen