ساختار DNA — به زبان ساده

دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) مولکولی شامل دستورالعمل‌های بیولوژیکی است. DNA، همراه با دستورالعمل‌های موجود در آن، طی تولید مثل از ارگانیسم‌های بالغ به فرزندان آن‌ها منتقل می‌شود. ساختار DNA به دلیل ویژگی‌های مولکولی خاص، در هر قسمت با پروتئین‌ها و آنزیم‌های خاصی میانکنش دارد. برای درک بهتر تعامل DNA با سایر مولکول‌ها و نحوه تنظیم تکثیر و فعالیت آن در سلول، در این مطلب ساختار DNA را توضیح داده‌ایم.

DNA چیست؟

DNA یکی از انواع پلیمرهای زیستی است و پلیمرها مولکول‌های بزرگی هستند که با پیوندهای متوالی مولکول‌های کوچکتر به نام مونومر ساخته می‌شوند. پلیمر DNA از مونومرهایی به نام نوکلئوتید تشکیل شده است که یکی پس از دیگری به یک زنجیره بسیار طولانی متصل می‌شوند.  تطابیق بین ساختار DNA و فعالیت‌های آنزیمی به قدری مؤثر است که با گذشت زمان و طی تکامل، DNA به مولکول ذخیره‌کننده اطلاعات تبدیل شده و طبیعت هنوز برای ذخیره، بیان و انتقال دستورالعمل‌های ساخت پروتئین راه حل بهتری از DNA پیدا نکرده است.

فیلم آموزش زیست شناسی – پایه دوازدهم رشته تجربی – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

DNA اولین بار در سال 1869 کشف شد، اما نقش آن در وراثت ژنتیکی تا سال 1943 مشخص نشده بود. در سال 1953 جیمز واتسون و فرانسیس کریک، با کمک کارهای فیزیکدانان روزالیند فرانکلین و موریس ویلکینز، تشخیص دادند که ساختار DNA درد و سطح پلیمر - مارپیچ قابل توضیح است. مارپیچی متشکل از دو رشته DNA که در اطراف یکدیگر پیچیده شده‌اند. این کشف منجر به پیشرفت قابل توجهی در درک دانشمندان از نحوه تکثیر DNA و کنترل فعالیت‌های سلولی منجر شد.

ساختار DNA

همانطور که گفته شد ساختار DNA از نوکلئوتیدها ساخته شده است و هر نوکلئوتید دو جزء اساسی دارد:

• ستون فقرات: ساخته شده از قند دی اکسی‌ریبوز و گروه فسفات
• بازهای نیتروژن‌دار: سیتوزین، تیمین، آدنین و گوانین

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی و مولکولی – مبانی و مفاهیم مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

کد ژنتیکی از طریق آرایش‌های مختلف بازها تشکیل می‌شود. هر مولکول DNA از یک زنجیره طولانی از نوکلئوتیدهای مونومر تشکیل شده است. نوکلئوتیدهای DNA از یک مولکول قند دئوکسی ریبوز تشکیل می‌شود که یک گروه فسفات و یکی از چهار ساختار ازته به آن متصل هستند. دو پورین (آدنین و گوانین) و دو پیریمیدین (سیتوزین و تیمین). نوکلئوتیدها با پیوندهای کووالانسی بین فسفات یک نوکلئوتید و قند بعدی به یکدیگر متصل می‌شوند و یک ستون فقرات قند فسفات تشکیل می‌دهند که بازهای ازت از آن بیرون زده‌اند.

هر رشته DNA توسط پیوندهای هیدروژنی بین بازها به رشته دیگری منتقل می‌شود. توالی این پیوند خاص است و پیوندهای آدنین فقط با تیمین و سیتوزین فقط با گوانین تشکیل می‌شوند. پیکربندی مولکول DNA بسیار پایدار است و به آن اجازه می‌دهد تا به عنوان الگویی برای تکثیر مولکول‌های DNA جدید و همچنین برای تولید (رونویسی) مولکول RNA (اسید ریبونوکلئیک) مکمل خود عمل کند. بخشی از DNA که رمز سنتز سلول توسط یک پروتئین خاص است، ژن نامیده می‌شود.

DNA با جدا شدن به دو رشته واحد تکثیر می‌شود، که هر کدام به عنوان الگویی برای یک رشته جدید عمل می‌کنند. رشته‌های جدید با همان اصل جفت شدن پیوند هیدروژنی بین بازهای موجود در مارپیچ دوتایی کپی می‌شوند. دو مولکول جدید DNA دو رشته‌ای تولید می‌شوند که هریک شامل یک رشته اصلی و یک رشته جدید هستند. این تکثیر نیمه محافظتی کلید وراثت پایدار صفات ژنتیکی است. درون یک سلول، DNA به صورت مجتمع‌های پروتئین / DNA متراکم به نام کروموزوم سازمان یافته است.

در یوکاریوت‌ها، کروموزوم‌ها در هسته قرار دارند، اگرچه DNA در میتوکندری و کلروپلاست نیز یافت می‌شود. در پروکاریوت‌ها، که هسته متصل به غشای سلولی ندارند، DNA به صورت کروموزوم حلقوی منفرد در سیتوپلاسم یافت می‌شود. برخی از پروکاریوت‌ها مانند باکتری‌ها و چند یوکاریوت دارای DNA خارج کروموزومی شناخته شده به نام پلاسمید هستند که ماده‌ای ژنتیکی مستقل و خودتکثیر پذیر هستند.

از پلاسمیدها برای مطالعه بیان ژن به طور گسترده‌ای در فناوری DNA نوترکیب استفاده شده است. ماده ژنتیکی ویروس‌ها ممکن است DNA یا RNA تک رشته‌ای یا دو رشته‌ای باشد. ویروس‌ها ماده ژنتیکی خود را به صورت RNA تک رشته حمل و آنزیم ترانس کریپتاز معکوس را تولید می‌کنند که می‌تواند DNA را با الگو قرار دادن RNA تولید کند.

DNA در کجا قرار دارد؟

در یوکاریوت‌ها DNA در هسته یافت می‌شود. از آنجا که سلول بسیار کوچک است و ارگانیسم‌ها DNA زیادی در هر سلول دارند، هر مولکول DNA باید محکم بسته‌بندی شود تا علاوه بر اشغال فضای کمتر، از آسیب آن جلوگیری شود. این فرم بسیار پیچ‌خورده و بسته‌بندی شده DNA را کروموزوم می‌نامند. طی تقسیم میتوز و همانندسازی، DNA باز می‌شود تا آنزیم‌ها و سایر عوامل همانندسازی با شناسایی ساختارهای هدف، روی DNA بنشینند و فرآیند تکثیر آغاز شود. در سایر مراحل چرخه سلولی DNA نیز باز می‌شود تا بتوان از دستورالعمل‌های آن برای ساخت پروتئین و سایر فرآیندهای بیولوژیکی استفاده کرد.

اما در طول تقسیم سلولی، ساختار DNA به شکل کروموزوم متراکم شده است تا امکان انتقال به سلول‌های جدید را فراهم کند. محققان DNA موجود در هسته سلول را DNA هسته‌ای می‌نامند. مجموعه کامل DNA هسته یک ارگانیسم را ژنوم آن می‌نامند چون علاوه بر DNA موجود در هسته، انسان و موجودات پیچیده دیگر مانند گیاهان مقدار کمی DNA در اندامک‌های کلروپلاست و میتوکندری دارند.

میتوکندری انرژی مورد نیاز سلول را برای عملکرد صحیح تولید می‌کند. در تولید مثل جنسی، ارگانیسم‌ها نیمی از DNA هسته‌ای خود را از والد نر و نیمی از والد ماده به ارث می‌برند. با این حال، ارگانیسم‌ها تمام DNA میتوکندریایی خود را از والد ماده و از طریق سیتوپلاسم تخمک دریافت می‌کنند. فقط سلول‌های تخمک و نه سلول‌های اسپرم، میتوکندری خود را در حین لقاح نگه می‌دارند.

تکثیر یک قطعه دلخواه از ساختار DNA یکی از تکنیک‌های رایج در پژوهش‌های زیستی است. برای این کار نیاز به طراحی اختصاصی پرایمر وجود دارد به نحوی که به صورت مؤثر و با بیشترین بازدهی به قطعه مورد نظر متصل شود.

DNA از چه ساخته شده است؟

ساختار DNA از بلوک‌های شیمیایی ساخته شده به نام نوکلئوتید ساخته شده است. این بلوک‌های ساختمانی از یک گروه فسفات، یک گروه قند و یکی از چهار نوع باز ازته تشکیل شده‌اند. برای تشکیل یک رشته DNA، نوکلئوتیدها به یکدیگر متصل و گروه‌های فسفات و قند به شکل متناوب در چهارچوب DNA تکرار می‌شوند. چهار نوع باز ازت در نوکلئوتیدها وجود دارد:

• آدنین (A)
• تیمین (T)
• گوانین (G)
• سیتوزین (C)

ترتیب این بازها تعیین می‌کند که چه دستورالعمل‌های بیولوژیکی در یک رشته DNA وجود دارند. دستورالعمل DNA یا ژنوم در انسان شامل حدود 3 میلیارد باز و حدود 20000 ژن روی 23 جفت کروموزوم قرار گرفته‌اند.

ترمودینامیک اسید نوکلئیک

ترمودینامیک اسید نوکلئیک به معنای مطالعه چگونگی تأثیر دما بر ساختار اسید نوکلئیک DNA دو رشته‌ای (dsDNA) است. دمای ذوب (Tm) به عنوان دمایی تعریف می‌شود که نیمی از رشته‌های DNA در حالت پیچ‌خوردگی تصادفی یا تک رشته‌ای (ssDNA) قرار داشته باشند. TM به طول مولکول DNA و توالی نوکلئوتیدی خاص آن بستگی دارد. هنگامی که دو رشته ساختار DNA از یکدیگر جدا شده‌اند (به عنوان مثال، مولکول dsDNA به عنوان دو رشته مستقل وجود دارد)، با درجه حرارت بالا دناتوره می‌شود.

فیلم آموزش بیوشیمی نوکلئوتیدها و اسیدهای نوکلئیک در فرادرس

کلیک کنید

هیبریدیزاسیون DNA

هیبریداسیون فرآیند ایجاد تعامل غیر کووالانسی و توالی خاص بین دو یا چند رشته مکمل اسیدهای نوکلئیک به یک مجتمع واحد است که در مورد دو رشته، دوبلکس نامیده می‌شود. الیگونوکلئوتیدها، DNA یا RNA در شرایط عادی به مکمل آن‌ها متصل می‌شوند، بنابراین دو رشته کاملاً مکمل، به راحتی به یکدیگر متصل خواهند شد. به منظور كاهش تنوع و به دست آوردن مجتمع‌هایی كه از نظر انرژی ارجح هستند، از بازپخت یا انیلینگ (Annealing) یا دمای واکنش اتصال در آزمایشگاه استفاده می‌شود.

با این حال، به دلیل هندسه‌های مختلف نوکلئوتیدها، یک تناقض واحد بین دو رشته باعث می‌شود اتصال بین آن‌ها از نظر انرژی کمتر مطلوب باشد. اندازه‌گیری اثرات ناسازگاری پایه با تعیین کمیت دمایی که در آن دو رشته متصل می‌شوند، می‌تواند اطلاعات مربوط به شباهت توالی پایه بین دو رشته در حال بازپخت را فراهم کند. مجتمع‌ها ممکن است توسط دناتوراسیون حرارتی جدا شوند که دمای ذوب نامیده می‌شوند.

ترکیب DNA-DNA به طور کلی به تکنیک زیست‌شناسی مولکولی اشاره دارد که درجه شباهت ژنتیکی بین توالی‌های DNA را اندازه‌گیری می‌کند. معمولاً برای تعیین فاصله ژنتیکی بین دو موجود زنده استفاده می‌شود. این تکنیک در فیلوژنی و طبقه‌بندی استفاده فراوانی دارد است.

در صورت عدم وجود عوامل خارجی و اثراگذار منفی، فرایندهای اتصال و ذوب ممکن است به طور نامحدود به طور پی در پی تکرار شوند که زمینه را برای واکنش زنجیره‌ای پلیمراز فراهم می‌کنند. معمولاً جفت بازهای آدنوزین و تیمین دو پیوند هیدروژنی و بازهای سیتوزین و گوانین سه پیوند هیدروژنی تشکیل می‌دهند، که پیوند دوم پایدارتر است.

دناتوره شدن DNA

دناتوراسیون ساختار DNA که به آن ذوب DNA نیز گفته می‌شود، فرایندی است که طی آن دئوکسی‌ ریبونوکلئیک اسید دو رشته‌ای از بین می‌رود و از طریق شکستن نیروهای آبگریز بین بازها به رشته‌های تک رشته‌ای جدا می‌شوند. هر دو اصطلاح برای اشاره به گرم شدن مخلوط استفاده می‌شوند، اگرچه دناتوراسیون همچنین می‌تواند به جداسازی رشته‌های DNA ناشی از عوامل دیگری مانند مواد شیمیایی مثل فرمامید یا اوره اشاره داشته باشد.

از فرآیند دناتوراسیون ساختار DNA می‌توان برای تجزیه و تحلیل برخی از جنبه‌های DNA استفاده کرد. از آنجا که جفت‌ شدن سیتوزین و گوانین به طور کلی از جفت باز آدنینو تیمین قوی‌تر است، می‌توان مقدار سیتوزین و گوانین را در یک ژنوم (محتوای GC) با اندازه‌گیری دمای ذوب DNA ژنومی تخمین زد چون هرچه دمای ذوب بالاتر باشد، یعنی محتوای GC در ساختار DNA بیشتر است. از دناتوراسیون DNA می‌توان برای تشخیص تفاوت توالی بین دو توالی DNA مختلف نیز استفاده کرد.

ساختار DNA در اثر حرارت به حالت تک رشته‌ای دناتوره می‌شود، پس از آن با سرد شدن مخلوط رشته‌ها مجدداً به یکدیگر متصل می‌شوند. مولکول‌های ترکیبی بین توالی‌های مشابه تشکیل می‌شوند و هرگونه اختلاف بین این توالی‌ها منجر به اختلال در جفت شدن جفت‌بازها خواهد شد. در مقیاس ژنومی، محققان از این روش برای تخمین فاصله ژنتیکی بین دو گونه استفاده کرده‌اند، فرایندی که به عنوان ترکیب DNA - DNA شناخته می‌شود.

برای یک قسمت از DNA باز شده، می‌توان از ژل‌های شیب‌دار دناتوراسیون و ژل‌های شیب‌دار درجه حرارت برای تشخیص عدم تطابق کوچک بین دو توالی استفاده کرد، روندی که به عنوان الکتروفورز ژل شیب دمایی شناخته می‌شود. روش‌های تجزیه و تحلیل ساختار DNA بر اساس دمای ذوب، این مزیت را دارند که پروکسی برای مطالعه دنباله اساسی است. توالی‌یابی DNA به طور کلی روش دقیق‌تری در نظر گرفته می‌شود. روند ذوب DNA همچنین در تکنیک‌های زیست‌شناسی مولکولی، به ویژه در واکنش زنجیره‌ای پلیمراز، برای تولید قطعه دلخواهی از ساختار DNA استفاده می‌شود.

اگرچه دمای ذوب DNA در این روش تشخیصی نیست، روش‌های تخمین TM (مدت زمانی که طول می‌کشد تا نیمی از پرایمرها در روند PCR به ناحیه هدف متصل شده‌اند) برای تعیین درجه حرارت مناسب برای استفاده در پروتکل PCR مهم هستند. دمای ذوب DNA همچنین می‌تواند برای برابر کردن قدرت ترکیبی مجموعه‌ای از مولکول‌ها به عنوان مثال کاوشگرهای الیگونوکلئوتیدی ریزآرایه‌های DNA، استفاده شود.

دمای اتصال DNA

دمای اتصال در ژنتیک، به معنای توالی مکمل DNA یا RNA تک رشته برای جفت شدن توسط پیوندهای هیدروژن و تشکیل یک پلی نوکلئوتید دو رشته‌ای است. قبل از آنکه عمل اتصال انجام شود، ممکن است لازم باشد یکی از رشته‌ها توسط آنزیمی مانند کیناز فسفریله شود تا امکان ایجاد پیوندهای هیدروژنی مناسب به وجود بیاید. اصطلاح بازپخت اغلب برای توصیف اتصال یک پروب DNA یا اتصال یک آغازگر (پرایمر) به یک رشته DNA طی واکنش زنجیره‌ای پلیمراز استفاده می‌شود.

این اصطلاح همچنین اغلب برای توصیف اصلاحات (تغییر شکل مجدد) رشته‌های مکمل معکوس که از هم جدا شده‌اند (در دمای دناتوراسیون) استفاده می‌شود. پروتئین‌هایی مانند RAD52 می‌توانند به بازسازی ساختار DNA کمک کنند. اتصال مجدد رشته‌های DNA گام کلیدی در مسیرهای نوترکیبی همولوگ است. به طور خاص، در طول تقسیم میوز، اتصال رشته وابسته به سنتز یک مسیر اصلی از ترکیب مجدد همولوگ است.

مارپیچ دو رشته‌ای اسید نوکلئیک

در زیست‌شناسی مولکولی، اصطلاح مارپیچ مضاعف به ساختاری گفته می‌شود که توسط مولکول‌های دو رشته‌ای اسیدهای نوکلئیک مانند DNA تشکیل شده است. ساختار مارپیچ یک مجموعه اسید نوکلئیک به عنوان یک نتیجه از ساختار ثانویه آن به وجود می‌آید و یک جزء اساسی در تعیین ساختار سوم آن است. این اصطلاح با انتشار کتاب «دو مارپیچ: یک گزارش شخصی از کشف ساختار DNA» توسط جیمز واتسون در سال 1968 وارد بیولوژی شد.

بیوپلیمر مارپیچ دوگانه DNA از اسید نوکلئیک توسط نوکلئوتیدهایی که بازها با هم جفت شده‌اند، نگهداری می‌شود. در B - DNA، متداول‌ترین ساختار مارپیچ دوتایی که در طبیعت یافت می‌شود، مارپیچ مضاعف با حدود 10 تا 10/5 جفت باز در هر دور، راست گردان است. ساختار مارپیچ دوگانه DNA شامل یک شیار بزرگ و شیار کوچک است. در B - DNA شیار اصلی از شیار کوچک گسترده‌تر است. با توجه به اختلاف در عرض شیار اصلی و شیار کوچک، بسیاری از پروتئین‌هایی که به B - DNA متصل می‌شوند از طریق شیار بزرگتر وسیعتر این کار را انجام می‌دهند.

ساختار سوم DNA

ساختار سوم DNA با در نظر گرفتن محدودیت‌های هندسی و استری به مکان اتم‌ها در فضای سه بعدی اشاره دارد و یک مرتبه بالاتر از ساختار ثانویه است که در آن تاشدگی در مقیاس بزرگ در یک پلیمر خطی اتفاق می‌افتد و کل زنجیره به شکل 3 بعدی خاصی تا می‌شود. انواع ساختار سه بعدی DNA را می‌توان بر اساس ۴ ویژگی زیر بررسی کرد:

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی و مولکولی – مبانی و مفاهیم مقدماتی

کلیک کنید

• راست گردان یا چپ گردان
• طول هر دور مارپیچ
• تعداد جفت بازها در هر دور چرخش
• تفاوت در اندازه بین شیارهای بزرگ و کوچک

ساختار سوم اسید نوکلئیک شکل سه بعدی این پلیمر است. مولکول‌های RNA و DNA قادر به عملکردهای متنوعی هستند که چنین عملکردهایی نیاز به یک ساختار عالی سه بعدی دارند. در حالی که چنین ساختارهایی متنوع و به ظاهر پیچیده هستند، اما از موتیف‌های تکرار شونده و قابل تشخیص تشکیل شده‌اند که به عنوان بلوک‌های سازنده ساختار سوم DNA عمل می‌کنند. آرایش سوم مارپیچ دوگانه DNA در فضا، عموما شامل سه فرم B-DNA ،A-DNA و Z-DNA است. برخی از رایج‌ترین موتیف‌های ساختار سوم DNA در ادامه شرح داده شده‌اند.

DNA هلیکس چیست؟

DNA هلیکس به ساختاری گفته می‌شود که از مولکول‌های دو رشته‌ای اسیدهای نوکلئیک مانند DNA تشکیل شده است. مارپیچ یک مجموعه اسید نوکلئیک به عنوان نتیجه‌ای از ساختار ثانویه آن به وجود می‌آید و یک جزء اساسی در تعیین ساختار سوم آن است. B - DNA، به عنوان متداول‌ترین ساختار DNA هلیکس در طبیعت مشاهده می‌شود. DNA هلیکس با حدود 10 تا 10/5 جفت باز در هر نوبت، راست گردان است. در ساختار DNA هلیکس، یک شیار بزرگ و شیار کوچک دیده می‌شوند. کانفورماسیون‌های دیگری هم وجود دارند اما بیشتر این اشکال به صورت ترکیبی ایجاد شده‌اند و در سیستم‌های بیولوژیکی طبیعی مشاهده نمی‌شوند.

شیار در ساختار DNA

دو شیار بزرگ و کوچک در طول مارپیچ دوگانه DNA قرار دارند. عرض شیار بزرگ 12 آنگستروم است، در حالی که شیار جزئی 6 آنگستروم عرض دارد. شیار اصلی کمی عمیق تر از شیار کوچک است (8/5 در مقابل 7/5 آنگستروم). عرض شیارها به دلیل اتصال نامتقارن جفت بازها به ستون فقرات، متفاوت است. در نتیجه لبه‌های جفت‌باز در شیار اصلی از لبه‌های شیار کوچک گسترده‌تر هستند. هر شیار توسط اتم‌های گیرنده و گیرنده بالقوه پیوند هیدروژن پوشانده شده است و این‌ها با پروتئین‌های اتصال دهنده DNA که توالی‌های خاص DNA را تشخیص می‌دهند، تعامل دارند. به عنوان مثال، اندونوکلئازها به صورت الکترواستاتیکی به شیار کوچک DNA دو مارپیچ متصل می‌شوند.

شیار بزرگ در جایی اتفاق می‌افتد که ستون فقرات فاصله زیادی داشته باشند، شیار کوچک در جایی که نزدیک به هم باشند رخ می‌دهد. شیارها در طرف مقابل به دور مولکول می‌پیچند. در این نواحی پروتئین‌های خاصی برای تغییر ساختار، تنظیم رونویسی یا همانندسازی به DNA متصل می‌شوند.

تریپلکس شیار کوچک یک موتیف ساختاری RNA است. از آنجا که فعل و انفعالات با شیار کوچک اغلب توسط  ' 2-OH قند ریبوز ایجاد ‌می‌شود، این موتیف RNA با معادل DNA آن بسیار متفاوت به نظر می‌رسد. متداول‌ترین نمونه سه گانه شیار کوچک، موتیف A-minor یا قرار گرفتن باز آدنوزین در شیار کوچک است. با این حال، این موتیف به آدنوزین محدود نمی‌شود، زیرا سایر نوکلئوبازها نیز در تعامل با شیار کوچک RNA مشاهده شده‌اند.

وجود شیارها این امکان را برای تماس‌های بهینه واندروالس، پیوند هیدروژنی و آبگریز را فراهم و یک تعامل انرژی مثبت ایجاد می‌کنند. از آنجا که سه گانه شیار کوچک قادر به بسته‌بندی ثابت و حلقه آزاد و مارپیچ هستند، عناصر اصلی در ساختار ریبونوکلئوتیدهای بزرگ اینترون گروه I، اینترون گروه II و ریبوزوم نیز محسوب می‌شوند.

این ساختارها از چندین ترکیب متقابل جفت باز و هوگستین تشکیل شده ‌اند. به عنوان مثال، GGC تریپل (GGC آمینو (N-2) -N-7، ایمینو-کربونیل، کربونیل-آمینو (N-4)، واتسون - کریک) مشاهده شده در ریبوزوم 50S، متشکل از یک نوع GC واتسون - کریک یک جفت و یک G ورودی که یک شبکه شبه هوگستین از فعل و انفعالات پیوند هیدروژنی بین هر دو پایه درگیر شدن در زوج متعارف را تشکیل می دهد. سایر نمونه‌های برجسته سه‌تایی شیار اصلی شامل:

• (i) هسته کاتالیزوری اینترون گروه II است.
• (ii) یک مارپیچ سه‌تایی کاتالیستی ضروری که در RNA تلومراز انسانی مشاهده شده است.
• (iii) SAM- ریبوسویچ II
• (iv) عنصر بیان هسته‌ای (ENE) که به عنوان یک عنصر تثبیت‌کننده RNA از طریق تشکیل مارپیچ سه‌تایی با دم پُلی A عمل می‌کند.

در ساختار DNA سه رشته‌ای نیز از پیوندهای هیدروژنی هوگستین یا هوگستین معکوس در شیار اصلی DNA، شکل B امکان‌پذیر است.

کانفورماسیون های DNA

DNA در سلول‌ها به عنوان یک مولکول دو رشته‌ای وجود دارد که به دور محور خود می‌پیچد و یک ساختار مارپیچی ایجاد می‌کند. هر رشته مکمل دیگری است. نوکلئوتیدها در یک رشته پیوند هیدروژنی با نوکلئوتیدهای مکمل در رشته مقابل قرار دارند. پیچ‌خوردگی دو مارپیچ به دلیل هندسه زاویه‌ای هر نوکلئوتید رخ می‌دهد. DNAی غیر متراکم می‌تواند به صورت خطی یا به عنوان یک مولکول حلقوی بسته (پلاسمید) وجود داشته باشد. با این حال، هر چرخش کامل مارپیچ دوتایی 10/7 (در A - DNA) یا 10/5 جفت باز (در B - DNA) را در بر می‌گیرد، بنابراین برای اینکه یک پلاسمید به طور پایدار بسته شود، باید مضربی از 10/7 یا 10/5 جفت باز باشد.

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی و مولکولی – مبانی و مفاهیم مقدماتی

کلیک کنید

سه نوع پیکربندی هندسی عمده در ساختار DNA دیده می‌شود:

• B - DNA: فرم مارپیچ دوتایی عمومی، غیر متیله و غالب در سلول‌ است. هر چرخش کامل مارپیچ 10/5 جفت پایه را شامل می‌شود. چرخش B - DNA راست گردان و از محور عمودی خود به سختی قابل مشاهده است. B - DNA یک شیار بزرگ وسیع دارد که پروتئین‌ها می‌توانند در آن متصل شوند. در B - DNA شیار بزرگ از شیار کوچک، گسترده‌تر است.
• A - DNA: دارای یک شیار بزرگ باریک و یک شیار کوچک وسیع‌تر است. در نتیجه، A - DNA پروتئین‌ها را در شیار کوچک متصل می‌کند. A - DNA نیز دارای شیب قابل توجهی از محور عمودی خود است و هر چرخش مارپیچی به 10/7 جفت باز نیاز دارد. A - DNA به طور معمول یا هنگام دو برابر شدن DNA با RNA یا در غلظت کم آب تشکیل می‌شود.
• Z-DNA: ظاهر زیگزاگ مانند بدارد، باریک‌تر از B - DNA یا A - DNA است و برخلاف دو شکل دیگر (هر دو راست گردان) چپ گردان است. Z-DNA نیز از محور عمودی خود شیب دارد اما به اندازه A - DNA نیست. Z-DNA گاهی اوقات در داخل بدن ایجاد می‌شود که اغلب به دلیل تناوب نوکلئوتیدهای گوانین و سیتوزین یا در نتیجه متیلاسیون است.

سوپرکویل DNA چیست؟

بدون پروتئین‌های پشتیبان، DNA تحت سوپرکویل قرار می‌گیرد و بر روی خود پیچ می‌خورد. دلیل آن این است که ماهیت دو مارپیچ آن پیچش ایجاد می‌کنند.مولکول‌های حلقوی DNA مانند آن‌هایی که در پلاسمیدها یا کروموزوم‌های باکتریایی یافت می‌شوند می‌توانند توپولوژی‌های مختلفی را اتخاذ کنند. یکی ابرپوشش فعال است که شامل شکاف یک رشته DNA، پیچیدن یک یا چند دور آن در اطراف رشته مکمل و سپس دوباره بسته شدن مولکول است. هر چرخش کامل منجر به ورود یک چرخش فوق پیچیده در ساختار DNA می‌شود و برگشت نیز امکان‌پذیر است.

آنزیم‌های ویژه‌ای به نام جیراز و توپوایزومراز پیچ خوردن و باز شدن ساختار DNA را کاتالیز می‌کنند. در کروموزوم‌های خطی یوکاریوت‌ها، DNA معمولاً در نقاط مختلف توسط پروتئین‌ها به شدت محدود شده و باعث می‌شود کشش‌های مداخله شده فوق متراکم شوند. این خاصیت تا حدی مسئول تراکم زیاد ساختار DNA است که برای قرار دادن آن در محدوده سلول لازم است. طول DNA در یک سلول انسانی بین دو تا سه متر طول دارد اما بسیار محکم بسته بندی شده است تا بتواند درون هسته سلول انسانی که قطر آن 10 میکرومتر است، قرار گیرد.

در یک بخش دو مارپیچ ریلکس B-DNA، این دو رشته هر 10/4 تا 10/5 جفت توالی یکبار به دور محور مارپیچ می‌پیچند. افزودن یا کم کردن پیچ و تاب‌ها توسط برخی از آنزیم‌ها، فشار را به ساختار DNA تحمیل می‌کنند. اگر یک بخش از ساختار DNA تحت فشار پیچ و تاب با اتصال دو انتهای آن به یک دایره بسته شود و سپس اجازه داده شود آزادانه حرکت کند، DNA حلقوی شکل جدیدی مانند هشت می‌گیرد. چنین انحرافی سوپرکویل است. سوپرکویل DNA به طور موقت در هنگام تکثیر و رونویسی DNA تولید می‌شود و اگر به سرعت باز نشود، این فرآیندها را مهار (یا تنظیم) می‌کند.

شکل ساده هشت ساده‌ترین ابرکویل DNA حلقوی برای تشکیل پیچ خوردگی مارپیچی در ساختار DNA است. بر اساس اینکه مارپیچ بیش از حد باشد یا زیر زخم باشد، دو لوب شکل هشت نسبت به یکدیگر چرخانده می‌شوند یا در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت. برای هر پیچ اضافی مارپیچ، یک چرخش دیگر در لوب‌ها ایجاد می‌شود. به عنوان یک قاعده کلی، DNA اکثر ارگانیسم‌های تک سلولی منفی است. انحرافات لوبال یک DNA حلقوی، مانند چرخش شکل هشت لوب در بالا، به عنوان خمیده گفته می‌شود. مثال فوق نشان می‌دهد که پیچ و تاب و تغییر شکل قابل تبدیل هستند.

سوپرکویل را می‌توان از طریق محاسبات ریاضی نشان داد. پیچ خوردگی تعداد چرخش‌های مارپیچ در ساختار DNA و پیچ تعداد دفعات عبور مارپیچ دوتایی روی خود است. پیچش‌های اضافی مارپیچی مثبت هستند و منجر به سوپرکویل مثبت می‌شوند، در حالی که پیچ خوردگی تفریحی باعث سوپرکویل منفی می‌شود. بسیاری از آنزیم‌های توپوایزومراز سوپرکویل را حس کرده و با تغییر توپولوژی DNA، آن را تولید یا پراکنده می‌کنند. تا حدی به دلیل این که کروموزوم‌ها ممکن است بسیار بزرگ باشند، بخش‌هایی از وسط ممکن است مانند انتهای آن‌ها لنگر انداخته شوند.

در نتیجه، آن‌ها ممکن است نتوانند پیچ ​​اضافی را در بقیه کروموزوم توزیع کنند. در پاسخ به سوپرکویل شدن، آن‌ها مقداری از انعطاف‌پذیری را در خود دارند، درست مثل اینکه انتهای آن‌ها به هم متصل شده باشند. DNA سوپرکویل دو ساختار پلکتنوم (plectoneme) یا توروئید (toroid) یا ترکیبی از هر دو را تشکیل می‌دهد. یک مولکول DNA منشعب بسیار منفی یا یک مارپیچ چپ دست یک طرفه، توروئید یا یک مارپیچ راست دست دو شروع با حلقه‌های انتهایی، پلکتونم تولید می‌کند. پلکتونم‌ها به طور معمول در طبیعت رایج‌تر و شکل‌هایی هستند که اکثر پلاسمیدهای باکتریایی ایجاد می‌کنند.

برای مولکول‌های بزرگتر، تشکیل ساختارهای ترکیبی معمول است، یک حلقه روی یک توروئید می‌تواند به یک پلکتونم گسترش یابد. اگر تمام حلقه ها بر روی یک توروئید گسترش یابد، آن‌گاه به یک شاخه در ساختار پلکتونیمی تبدیل می‌شود. ابرسوپرکویل DNA برای بسته بندی DNA در تمام سلول‌ها مهم است و به نظر می‌رسد که در بیان ژن نیز نقشی داشته باشد. ابرسوپرکویل DNA برای بسته‌بندی ساختار DNA در تمام سلول‌ها مهم است. از آنجا که طول DNA می‌تواند هزاران برابر سلول باشد، بسته‌بندی این ماده ژنتیکی در سلول یا هسته (در یوکاریوت‌ها) یک کار دشوار است.

سوپرکویل DNA فضا را کاهش می‌دهد و امکان بسته‌بندی ساختار DNA را فراهم می‌کند. به دلیل وجود کروموزوم دایره‌ای و مقدار نسبتاً کمی ماده ژنتیکی، در پروکاریوت‌ها، سوپرکویل‌های پلکتونمی غالب هستند. در یوکاریوت‌ها، ابرسوپرکویل DNA در بسیاری از سطوح سوپرکویل پلکتونمیک و برقی وجود دارد، که سوپرکویل می‌تواند در فشرده‌سازی DNA موثر باشد. سوپرکویل برقی از طریق هیستون‌ها به دست می‌آید و فیبر 10 نانومتری ایجاد می‌کند. این فیبر بیشتر به یک فیبر 30 نانومتری تبدیل می‌شود، و چندین برابر بیشتر بر روی خود پیچیده می‌شود.

هنگامی که DNAهای خواهری تکراری در سلول‌های دختری تفکیک می‌شوند، بسته‌بندی ساختار DNA طی میتوز افزایش می‌یابد. نشان داده شده است که کندانسین، یک مجموعه پروتئینی بزرگ است که نقش اصلی را در مونتاژ کروموزوم میتوزی بازی می‌کند، سوپرکویل مثبت را به روش وابسته به هیدرولیز ATP در شرایط آزمایشگاهی القا می‌کند. تشکیل سوپرکویل همچنین می‌تواند هنگام تشکیل فاز در تشکیل و نگهداری حوزه‌های مرتبط توپولوژیک (TADs) نقش مهمی داشته باشد. برای سنتز DNA و RNA نیز به سوپرکویل نیاز است. از آنجا که DNA برای عمل DNA و RNA پلیمراز باید از بین برود، ابر کویل حاصل می‌شود.

منطقه جلوتر از مجموعه پلیمراز باز نمی‌شود. این استرس با سوپرکویل مثبت جلوتر از مجموعه جبران می‌شود. در پشت مجموعه، ساختار  DNA دوباره پیچ می‌خورد و ابرشانه‌های منفی جبرانی وجود دارند. توپوایزومرازها مانند DNA جیراز (نوع II توپوایزومراز) در تسکین برخی از استرس‌ها طی سنتز DNA و RNA نقش دارند. پروتئین‌های تخصصی می‌توانند بخش‌های کوچکی از مولکول DNA را هنگام تکثیر یا رونویسی به RNA از حالت فشرده خارج کنند. اما با چرخش ساده DNA می‌توان بازهای داخلی را بدون کمک به پروتئین‌ها در معرض خارج قرار داد.

همچنین، رونویسی به نوعی باعث انقباض ساختار DNA در سلول‌های زنده انسان می‌شود، بعضی از قسمت‌های پیچ‌خوردگی را بیشتر و در قسمت‌های دیگر آن را آزادتر می‌کند. این استرس باعث تغییر شکل می‌شود، به ویژه به مارپیچ قابل خواندن باز می‌شود. مطالعه این فعل و انفعالات بسیار دشوار است زیرا مولکول‌های بیولوژیکی به این راحتی شکل می‌گیرند. در سال 2008 اشاره شد که رونویسی DNA را می‌چرخاند و در پی آن دنباله‌ای از  سوپرکویل DNA بسیار منفی ایجاد می‌شود. علاوه بر این، آن‌ها کشف کردند که توالی DNA خود بر نحوه واکنش مولکول به سوپرکویل تأثیر می‌گذارد.

به عنوان مثال، محققان توالی خاصی از ساختار DNA را شناسایی كردند كه سرعت رونویسی را تنظیم می‌كند. با بالا و پایین آمدن میزان سوپرکویل، سرعت خواندن ساختار DNA توسط ماشین آلات مولکولی کاهش یا سرعت می‌یابد. فرضیه این است که این تغییرات ساختاری ممکن است باعث ایجاد تنش در قسمت دیگری شوند که به نوبه خود ممکن است نقاط محرک برای همانندسازی یا بیان ژن را فراهم کند. این بدان معنی است که این یک فرایند بسیار پویا است که در آن DNA و پروتئین‌ها هریک بر نحوه عملکرد و واکنش دیگری تأثیر می‌گذارند.

ساختار DNA سه رشته ای

DNA سه رشته‌ای یا  H - DNA نوعی از ساختار DNA است که در آن سه الیگونوکلئوتید به دور یکدیگر می‌پیچند و یک مارپیچ سه‌تایی تشکیل می‌دهند. در ساختار DNA سه رشته‌ای، رشته سوم با تشکیل جفت باز هوگستین (Hoogsteen) یا پیوندهای هیدروژنی معکوس هوگستین به یک مارپیچ دوگانه به شکل B شکل (از طریق جفت‌سازی پایه واتسون - کریک) متصل می‌شود. یک نوکلئوباز تیمین می‌تواند با تشکیل یک پیوند هیدروژن هوگستین به یک جفت باز واتسون - کریک متصل شود.

پیوندهای هیدروژنی تیمین با آدنوزین در ساختار DNA دو رشته‌ای اصلی برای ایجاد یک پایه سه‌تایی TA:T ایجاد می‌شود. تحت شرایط اسیدی، یک سیتوزین پروتونه از طریق پیوند هوگستین، یک سه گانه پایه با یک جفت C-G تشکیل دهد و CG:C+ تشکیل دهد. جفت بازهای TA:T و CG:C+ تثبیت شده‌ترین جفت‌های پایه سه تایی هستند که می‌توانند تشکیل شوند، در حالی که TA:G و CG:G بی ثبات‌ترین جفت‌های سه بازی هستند.

تحقیقات قابل توجهی در مورد پیامدهای بیولوژیکی مربوط به حضور H - DNA در مناطق مهم شکست (Mbr) و نقاط شکست رشته دو رشته ژن‌های خاص انجام شده است که وجود ساختارهای غیر B - DNA را با بی‌ثباتی ژنتیکی مرتبط دانسته‌اند. H - DNA باعث جهش‌های مربوط به فرآیندهای مهم سلولی مانند همانندسازی و رونویسی DNA می‌شود. اهمیت این فرایندها برای زنده ماندن منجر به ایجاد مکانیسم‌های پیچیده ترمیم ساختار DNA شده است که به سلول‌ها اجازه می‌دهد آسیب ساختار DNA را تشخیص داده و رفع کنند.

ساختارهای غیر متعارف DNA را می‌توان به عنوان آسیب توسط سلول درک کرد و کارهای اخیر شیوع جهش‌های نزدیک به توالی‌های تشکیل‌دهنده غیر B - DNA را نشان داده است. برخی از این جهش‌ها به دلیل فعل و انفعالات بین H - DNA و آنزیم‌های درگیر در تکثیر و رونویسی DNA است، جایی که H - DNA با این فرآیندها تداخل می‌کند و مکانیسم های مختلف ترمیم ساختار DNA را تحریک می‌کند که می‌تواند با بی‌ثباتی ژنتیکی در تشکیل سرطان نقش داشته باشد.

ساختار DNA چهار رشته ای

علاوه بر مارپیچ‌های دوتایی و سه‌تایی، RNA و DNA می‌توانند مارپیچ‌های چهارگانه را نیز تشکیل بدهند. ساختارهای متنوعی از چهار گروه پایه RNA وجود دارد. چهار بقایای متوالی گوانین می‌تواند در RNA توسط پیوندهای هیدروژنی هوگستین یک چهارتایی تشکیل داده و یک حلقه هوگستین ایجاد کند. جفت G-C و A-U همچنین می‌توانند چهار ترکیبی پایه را با ترکیبی از جفت شدن واتسون - کریک و جفت شدن غیر کانونی در شیار کوچک تشکیل بدهند. هسته آپتامر سبز مالاکیت نیز نوعی چهارتایی پایه با الگوی پیوند هیدروژن متفاوت است. چهارتایی می‌تواند چندین بار به طور متوالی تکرار شود و ساختاری فوق‌العاده پایدار ایجاد کند.

ساختار منحصر به فرد مناطق چهارتایی در RNA ممکن است عملکردهای مختلفی را در یک سیستم بیولوژیک داشته باشد. دو عملکرد مهم پتانسیل اتصال با لیگاندها یا پروتئین‌ها و توانایی آن در ایجاد ثبات در ساختار سوم DNA یا RNA است. ساختار قوی می‌تواند رونویسی و تکثیر را مانند تلومر کروموزوم‌ها و UTR mRNA مهار یا تعدیل کند. هویت پایه نسبت به اتصال لیگاند مهم است.

کوارتت G معمولاً کاتیون‌های یک ظرفیتی مانند پتاسیم را به هم متصل می‌کند، در حالی که سایر بازها می‌توانند لیگاندهای متعدد دیگری مانند هیپوکسانتین را در یک چهارگانه U-U-C-U متصل کنند. همراه با این عملکردها، G-quadruplex در mRNA در اطراف مناطق متصل به ریبوزوم می‌تواند به عنوان تنظیم‌کننده بیان ژن در باکتری‌ها عمل کند. ممکن است ساختارها و عملکردهای جالب‌تری وجود داشته باشد که هنوز به صورت in vivo کشف نشده است.

کروماتین چیست؟

در سلول‌های یوکاریوتی، DNA خطی درون ماده متراکمی به نام کروماتین بسته‌بندی می‌شود. این از سوپرکویل شدن ساختار DNA را منظم نگه می‌دارد و از برش اشتباه هنگام تقسیم سلول جلوگیری می‌کند. به طور خاص، DNA به دور پنتامر هیستون پیچیده می‌شود (در بعضی موارد تترامر) و یک نوکلئوزوم تشکیل می‌دهد. در زیر یک نمایش بصری از درجه اول بسته‌بندی DNA وجود دارد که در آن چندین نوکلئوزوم، ساختار DNA را مانند مهره‌های یک رشته پوشانده‌اند.

هیستون‌ها با یکدیگر در تعامل هستند و فیبر 30 نانومتری (ضخامت ساختار) را تشکیل می‌دهند. به طور معمول، ژن‌هایی که فعالیت کمتری دارند در یک فیبر 30 نانومتری قرار می‌گیرند. وقتی تقسیم سلولی اتفاق می‌افتد، 30 نانومتر به سمت پروتئین‌های ساختاری بیشتر داربست می‌رود تا اینکه سرانجام کروماتین در ساختارهایی به عنوان کروموزوم شناخته می‌شود.

کروموزوم چیست؟

کروموزوم‌ها ساختارهای بسیار طولانی هستند که از دو پلیمر DNA تشکیل و توسط پیوندهای هیدروژنی به هم متصل شده‌اند و جفت بازهای مکمل را به هم متصل می‌کنند. یک کروموزوم به بخش‌هایی از ساختار DNA دو رشته‌ای تقسیم می‌شود که ژن نام دارد. DNA کروموزومی از دو پلیمر DNA تشکیل شده است که ساختاری 3 بعدی به نام مارپیچ دوتایی را تشکیل می‌دهد.

در یک ساختار مارپیچ دوتایی، رشته‌های DNA به صورت ضد موازی قرار دارند، به این معنی که انتهای '5 یک رشته DNA با انتهای '3 رشته DNA دیگر موازی است. نوکلئوتیدهای تشکیل دهنده هر رشته DNA توسط پیوندهای هیدروژنی به هم متصل می‌شوند. پیوندهای هیدروژنی به صورت جداگانه در نظر گرفته می‌شوند بسیار ضعیف‌تر از یک پیوند کووالانسی منفرد مانند پیوند فسفودی استر هستند اما تعداد آن‌ها بسیار زیاد است و ساختار DNA دو رشته‌ای بسیار محکم است.

نوکلئوزوم چیست؟

نوکلئوزوم بخشی از DNA است که به دور هسته پروتئین‌ها پیچیده شده است. در داخل هسته، DNA مجموعه ای از پروتئین ها به نام کروماتین تشکیل می دهد که اجازه می‌دهد DNA به حجم کمتری متراکم شود. هنگامی که کروماتین در زیر میکروسکوپ گسترش یافته و مشاهده می‌شود، ساختار شبیه دانه های رشته است. هر یک از این مهره‌های کوچک نوکلئوزوم نامیده می‌شوند و قطر آن تقریباً 11 نانومتر است. نوکلئوزوم زیر واحد اساسی کروماتین است.

فیلم آموزش ژنتیک مولکولی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

هر نوکلئوزوم از اندکی کمتر از دو دور DNA که به مجموعه‌ای از هشت پروتئین موسوم به هیستون پیچیده شده، تشکیل شده است که به عنوان یک اکتامر هیستون شناخته می‌شوند. هر اکتامر هیستون از هر دو پروتئین هیستون H2A، H2B، H3 و H4 تشکیل شده است. سپس زنجیره نوکلئوزوم‌ها بیشتر متراکم شده و مجموعه‌ای کاملاً سازمان یافته از DNA و پروتئین به نام کروموزوم را تشکیل می‌دهد.

انعطاف پذیری ساختار DNA

DNA یک پلیمر نسبتاً سخت است که به طور معمول به صورت زنجیره ای کرم مانند مدل می‌شود. این سه درجه آزادی قابل توجه دارد. خم شدن، پیچ خوردن و فشرده‌سازی که هریک باعث ایجاد محدودیت‌های مشخصی در مورد DNA با سلول می‌شوند. سفتی پیچشی برای چرخش ساختار DNA و جهت‌گیری پروتئین‌های متصل به DNA نسبت به یکدیگر و سختی محوری خمش برای بسته‌بندی DNA و حلقوی شدن و فعل و انفعالات پروتئین مهم است. فشرده‌سازی - کشش در غیاب تنش زیاد نسبتاً مهم نیست.

DNA در محلول ساختار محکمی ندارد اما به دلیل ارتعاش حرارتی و برخورد با مولکول‌های آب به طور مداوم تغییر ساختار می‌دهد که اعمال سفتی کلاسیک را غیر ممکن می‌کند. از این رو، سختی خمش ساختار DNA با طول ماندگاری اندازه‌گیری می‌شود، تعریف شده به شرح زیر است: طول DNA که جهت‌گیری متوسط ​​پلیمر از طریق آن با یک فاکتور e، غیر همبسته می‌شود. این مقدار ممکن است مستقیما یا استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی برای تصویربرداری مستقیم از مولکول‌هایی با طول های مختلف اندازه‌گیری شود.

در یک محلول آبی DNA، طول مقاومت ۴۶ - ۵۰ تا ۱۴۰ - ۱۵۰ جفت باز است اگرچه این مقدار می‌تواند بسیار متغیر باشد. بنابراین DNA یک مولکول نسبتا محکم است. طول مقاومت یک بخش از DNA تا حدودی به توالی آن بستگی دارد و این می‌تواند باعث تفاوت زیادی شود. این تغییرات اساسا به دلیل انرژی انباشته پایه و باقی‌مانده‌های نوکلئوتیدی هستند که به شارهای کوچک و بزرگ گسترش یافته‌اند.

تغییرات ساختار DNA

شکل DNA بر چگونگی اتصال پروتئین‌ها به آن تأثیر می‌گذارد و عواقب مهمی در رونویسی و تنظیم ژن دارد زیرا DNA متراکم نمی‌تواند پلی‌مرازها را متصل کند. شکل DNA همچنین بر تحرک مولکولی آن تأثیر می‌گذارد. این یک نکته مهم در الکتروفورز ژل است، جایی که DNA خطی سریعتر از پلاسمیدهای با طول یکسان در جفت بازها حرکت می‌کند و پلاسمیدهای سوپرکویل سریعتر از پلاسمیدهای متراکم نشده حرکت می‌کنند.

متیلاسیون DNA

سه نوع متیلاسیون طبیعی در ساختار DNA گزارش شده است. سیتوزین را می‌توان یا بر روی حلقه تغییر شکل داد تا 5 - متیل سیتوزین ایجاد شود و یا در گروه آمینو خارج حلقوی N4 - متیل سیتوزین تشکیل شود. ممکن است آدنین اصلاح شود و N6 - متیلادین تشکیل شود. N4 - متیل سیتوزین و N6 - متیلادین فقط در باکتری‌ها و آرکی‌باکترها یافت می‌شود، در حالی که 5 - متیل سیتوزین به طور گسترده‌ای توزیع می‌شود. آنزیم‌های خاصی به نام DNA متیل ترانسفراز مسئول این متیلاسیون هستند.

این آنزیم‌ها توالی‌های خاصی را در ساختار DNA تشخیص می‌دهند تا فقط زیرمجموعه‌ای از بازها اصلاح شود. سایر متیلاسیون‌های بازها یا دی‌اکسی‌ریبوز گاهی توسط مواد سرطان‌زا ایجاد می‌شود. این موارد معمولاً منجر به جفت شدن پایه‌ها در هنگام تکثیر می‌شوند و اگر قرار نیست جهش‌زا شوند باید از بین بروند. متیلاسیون طبیعی عملکردهای بسیاری دارد. در باکتری‌ها و آرکی‌باکترها، متیلاسیون با محافظت از ساختار DNA در برابر تکه تکه شدن توسط اندونوکلئازهای محدود کننده، بخشی اساسی از سیستم ایمنی بدن را تشکیل می‌دهد.

در برخی ارگانیسم‌ها، متیلاسیون به از بین بردن توالی بازهای نادرست که در طی همانندسازی DNA وارد می‌شوند، کمک می‌کند. با علامت‌گذاری رشته والد با یک گروه متیل، یک مکانیسم سلولی معروف به سیستم تعمیر عدم تطابق بین رشته تازه تکرار شده در محل بروز خطاها و توالی صحیح رشته الگو را از هم تشخیص می‌دهد. در یوکاریوت‌های بالاتر، 5 - متیل سیتوزین با جلوگیری از رونویسی DNA، بسیاری از پدیده‌های سلولی را کنترل می‌کند.

متیلاسیون نوعی سیگنال است که به موجب آن برخی ژن‌های ارثی از یکی از والدین به طور انتخابی غیرفعال می‌شوند. متیلاسیون صحیح همچنین ممکن است ژن‌های اصلی کنترل‌کننده رشد جنینی را سرکوب یا فعال کند. از طرف دیگر، 5 - متیل سیتوزین به طور بالقوه جهش‌زا است زیرا تیمین تولید شده طی فرآیند متیلاسیون، جفت‌های C: G را به جفت‌های T: A تبدیل می‌کند. در پستانداران، متیلاسیون به طور انتخابی در توالی دینوکلئوتید CG صورت می‌گیرد. یک توالی نادر که احتمالاً در اثر جهش از بین رفته است. در بسیاری از سرطان‌ها، در ژن‌های اصلی در دینوکلئوتیدهای CG جهش وجود دارد.

موتیف های ساختاری DNA

موتیف‌های ساختاری DNA به عنوان یک الگوی توالی اسید نوکلئیک تعریف ‌می‌شود که دارای برخی از اهمیت بیولوژیکی مانند محل اتصال DNA برای یک پروتئین تنظیم کننده به عنوان مثال، یک عامل رونویسی است. به طور معمول، این الگو نسبتاً کوتاه است (5 تا 20 جفت باز) و شناخته شده است که در ژن‌های مختلف یا چندین بار در داخل یک ژن تکرار می‌شود. موتیف‌های DNA اغلب با موتیف‌های ساختاری موجود در پروتئین‌ها مرتبط هستند. موتیف‌های می‌توانند روی هر دو رشته DNA وجود داشته باشند.

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی و مولکولی – مبانی و مفاهیم مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

عوامل رونویسی به طور مستقیم به DNA دو رشته متصل می‌شوند. توالی‌ها می‌توانند صفر، یک یا چند نسخه از یک موتیف داشته باشند. علاوه بر اشکال رایج موتیف‌های DNA، دو نوع خاص از موتیف‌های DNA نیز شناخته می‌شوند: موتیف‌های پالیندرومیک و موتیف‌های دوتایی فاصله‌دار. نقاشی پالیندرومیک دنباله‌ای است که دقیقاً همان مکمل معکوس خودش است، مثلاً CACGTG. یک موتیف‌های دوتایی فاصله‌دار شامل دو سایت محافظت شده کوچکتر است که توسط یک شکاف از هم جدا شده‌اند.

فاصله دهنده در وسط موتیف برجسته ظاهر ‌می‌شود زیرا عوامل رونویسی به صورت دیمر متصل می‌شوند. این بدان معنی است که فاکتور رونویسی از دو زیر واحد ساخته شده است که دارای دو نقطه تماس جداگانه با توالی DNA هستند. قسمت‌هایی که عامل رونویسی به DNA متصل، حفظ ‌می‌شود اما به طور معمول نسبتاً کوچک است (3 تا 5 جفت باز). این دو نقطه تماس توسط یک فاصله دهنده بدون حفاظت از هم جدا می‌شوند. این فاصله بیشتر دارای طول ثابت است اما ممکن است کمی متغیر باشد.

loop d چیست؟

D-loop یک ساختار DNA است که در آن دو رشته یک مولکول DNA دو رشته‌ای برای کشش و توسط یک رشته سوم DNA از یکدیگر جدا می‌شوند. رشته سوم دارای یک توالی پایه است که مکمل یکی از رشته‌های اصلی است و با آن جفت می‌شود، بنابراین رشته اصلی اصلی مکمل دیگر در منطقه جابجا می‌شود. در این منطقه ساختار بنابراین نوعی DNA سه رشته‌ای است. یک نمودار در مقاله معرفی این اصطلاح، D-loop را با شکلی شبیه D بزرگ نشان می دهد، جایی که رشته جابجا شده D-loop را تشکیل می دهد. D-loopها در شرایط خاصی از جمله در ترمیم ساختار DNA، در تلومر و به عنوان یک ساختار نیمه پایدار در مولکول‌های حلقوی DNA میتوکندری ایجاد می‌شوند.

ساختار G quadruplex

ساختارهای ثانویه G - quadruplex (G4) در توالی‌های غنی از گوانین در اسیدهای نوکلئیک تشکیل می‌شوند. شکل آن‌ها به صورت مارپیچ است و حاوی تترادهای گوانین است که می‌تواند از یک، دو یا چهار رشته تشکیل شود. اشکال تک مولکولی غالباً به طور طبیعی در نزدیکی انتهای کروموزوم که به مناطق تلومریک معروف هستند و در مناطق تنظیم‌کننده رونویسی ژن‌های متعدد در میکروب‌ها و مهره‌داران از جمله انکوژن‌ها در انسان دیده می‌شود.

چهار پایه گوانین می‌تواند از طریق اتصال هیدروژن هوگستین به هم پیوند یابد و یک ساختار مسطح مربع به نام گودین تتراد (G-tetrad یا G-quartet) ایجاد کند و دو یا چند تتراد گوانین (از دستگاه‌های G، اجرای مداوم گوانین) برای تشکیل یک G-quadruplex ‌می‌توانند روی هم قرار بگیرند. قرار دادن و اتصال به شکل G-quadruplexes تصادفی نیست و در خدمت اهداف عملکردی بسیار غیر معمول است. ساختار چهارتایی با حضور یک کاتیون، به ویژه پتاسیم که در یک کانال مرکزی بین هر جفت تتراد قرار دارد، بیشتر تثبیت می‌شود.

آن‌ها می‌توانند از DNA، RNA، LNA و PNA تشکیل شوند و ممکن است درون مولکولی، دو مولکولی یا چهار مولکولی باشند. بسته به جهت رشته‌ها یا قسمت‌های رشته‌ای که تترادها را تشکیل می‌دهند، ساختارها ممکن است موازی یا غیر موازی باشند. ساختارهای G-quadruplex را می‌توان از طریق موتیف‌های توالی DNA یا RNA از نظر محاسباتی پیش‌بینی کرد، اما ساختار واقعی آن‌ها می‌تواند در داخل و بین موتیف‌ها متنوع و بیش از 100000 در هر ژنوم باشد. فعالیت آن‌ها در فرآیندهای اساسی ژنتیکی، یک منطقه فعال تحقیق در زمینه تلومر، تنظیم ژن و تحقیقات ژنومیک عملکردی است.

DNA صلیبی

DNA صلیبی (Cruciform DNA) نوعی DNA غیر B یا ساختار DNA جایگزین است. تشکیل DNA صلیبی نیاز به وجود پالیندروم‌هایی دارد که توالی تکرار معکوس نامیده می‌شوند. این تکرارهای معکوس حاوی توالی DNA در یک رشته است که در جهت مخالف رشته دیگر تکرار می‌شود. در نتیجه، تکرارهای معکوس خود مکمل هستند و می‌توانند ساختارهایی مانند سنجاق سر و صلیب شکل را ایجاد کنند. ساختارهای DNA صلیبی به حداقل شش توالی نوکلئوتیدی تکرار معکوس نیاز دارند تا ساختاری متشکل از یک ساقه، نقطه شاخه و حلقه به شکل صلیب شکل ایجاد شود که توسط ابرپوشش منفی DNA تثبیت شود.

دو کلاس DNA صلیبی چین خورده و باز شده وجود دارند. ساختارهای صلیبی تاشو با تشکیل زاویه‌های حاد بین بازوهای مجاور و DNA رشته اصلی مشخص می‌شود. ساختارهای صلیبی باز نشده دارای هندسه مسطح مربع و تقارن 4 برابر است که در آن دو بازوی صلیب شکل عمود بر یکدیگر هستند. دو مکانیزم برای تشکیل DNA صلیبی شکل توصیف شده است: نوع C و نوع S. تشکیل ساختارهای صلیبی شکل در DNA خطی به دلیل احتمال جدا شدن پایه در نقاط اتصال و مناطق باز در حلقه‌ها از نظر ترمودینامیکی نامطلوب است.

DNA صلیبی شکل هم در پروکاریوت‌ها و هم در یوکاریوت‌ها یافت می‌شود و در رونویسی DNA و تکثیر DNA، ترمیم دو رشته، جابجایی DNA و ترکیب مجدد نقش دارد. آن‌ها همچنین عملکردی در تنظیم اپی ژنتیکی همراه با پیامدهای بیولوژیکی مانند سوپرکویل DNA، شکستگی دو رشته‌ای و هدف قرار گرفتن برای پروتئین‌های متصل به صلیب دارند. ساختارهای صلیبی می‌‌توانند بی ثباتی ژنومی را افزایش دهند و در ایجاد بیماری‌های مختلف مانند سرطان و بیماری ورنر نقش دارند.

تلومر چیست؟

نواحی تکراری در انتهای کروموزوم‌ها تلومر نامیده می‌شوند و در طیف وسیعی از گونه‌های یوکاریوتی از انسان گرفته تا پروتیست‌های تک سلولی وجود دارند. تلومرها به عنوان کلاهک‌هایی از مناطق داخلی کروموزوم محافظت می‌کنند و در هر دور از همانندسازی DNA، مقدار کمی از آن ها قادر به همانندسازی نیست و در DNAی تازه تشکیل شده وجود ندارد. کروموزوم‌های یوکاریوتی به صورت خطی هستند و انتها دارند که برای تکثیر DNA مشکل ایجاد می‌کند. ساختار DNA در انتهای کروموزوم را نمی‌توان در هر دور تکثیر به طور کامل کپی کرد، در نتیجه کوتاه شدن آهسته و تدریجی کروموزوم در هر دور از پیامدهای همانندسازی است.

هنگام کپی کردن DNA، یکی از دو رشته جدید DNA در یک چنگال همانندسازی به طور متوالی ساخته می‌شود که رشته پیشرو نام دارد. رشته دیگر به شکل قطعات کوچکی به نام قطعات اوکازاکی (Okazaki) تولید می‌شود که هر کدام از آن‌ها با پرایمر RNA خاص خود شروع می‌شوند، این رشته از DNA، رشته وابسته نام دارد. در بیشتر موارد، پرایمرهای قطعات اوکازاکی را می‌توان به راحتی با DNA و قطعات متصل شده برای ایجاد یک رشته شکسته نشده جایگزین کرد.

هنگامی که چنگال تکثیر به انتهای کروموزوم می‌رسد، (در بسیاری از گونه‌ها از جمله انسان) یک قسمت کوتاه از ساختار DNA وجود دارد که توسط قطعه اوکازاکی پوشیده نمی‌شود. در اصل، هیچ راهی برای شروع قطعه وجود ندارد زیرا پرایمر فراتر از انتهای کروموزوم خواهد بود. همچنین، پرایمر آخرین قطعه اوکازاکی نمی‌تواند مانند سایر پرایمرها با DNA جایگزین شود. بنابراین بخشی از DNA در انتهای یک کروموزوم یوکاریوتی در هر دور تکثیر کپی نشده و یک بیرون‌زدگی تک رشته‌ای باقی می‌گذارد. در چندین دور تقسیم سلول، با تکرار این فرآیند، کروموزوم کوتاه می‌شود.

در سلول‌های انسانی، آخرین آغازگر RNA رشته وابسته ممکن است 70 تا 100 نوکلئوتید دور از انتهای کروموزوم قرار بگیرد. بنابراین، ادامه تک رشته‌ای که با تکثیر ناقص در انسان تولید می‌شوند نسبتاً طولانی هستند و کروموزوم با هر دور تقسیم سلول به طور قابل توجهی کوتاه می‌شود. علت وجود تلومر نیز جلوگیری از ناقص شدن ژن‌ها با پایان یافتن کروموزوم است.

تلومرها از صدها یا هزاران تکرار از همان توالی کوتاه DNA تشکیل شده‌اند که بین ارگانیسم‌ها متفاوت هستند اما در انسان و سایر پستانداران اینو توالی تکراری 'TTAGGG-3 است. تلومرها باید از سیستم‌های ترمیم ساختار DNA سلول محافظت شوند زیرا دارای برآمدگی‌های تک رشته‌ای هستند که شبیه ساختار DNA آسیب دیده است. پیش آمدگی در انتهای رشته عقب مانده کروموزوم به دلیل تکثیر نهایی ناقص است. برآمدگی انتهای رشته پیشرو کروموزوم در واقع توسط همان آنزیم‌هایی ایجاد می‌شود که بخشی از ساختار DNA را قطع می‌کنند (اگزونوکلئازها).

در بعضی از گونه‌ها (از جمله انسان)، برآمدگی‌های تک رشته‌ای به تکرارهای مکمل در DNA دو رشته‌ای مجاور متصل می‌شوند که باعث ایجاد حلقه‌های محافظ در انتهای تلومر خواهد شد. پروتئین‌های مرتبط با انتهای تلومر به محافظت از آن‌ها کمک کرده و از ایجاد مسیرهای ترمیم ساختار DNA بر روی تلومر جلوگیری می‌کنند. تکرارهای تشکیل دهنده تلومر در بسیاری از چرخه‌های تقسیم تخریب می‌شوند و یک بافر فراهم می‌کند که از مناطق داخلی کروموزوم حامل ژن‌ها محافظت می‌کند (حداقل برای مدتی). کوتاه شدن تلومر با پیر شدن سلول‌ها مرتبط است و از دست دادن تدریجی تلومرها ممکن است توضیح دهد که چرا سلول‌ها فقط تا مدت مشخصی می‌توانند تقسیمات خود را ادامه بدهند.

تعیین ساختار DNA

رویکردهای آزمایشی تعیین ساختار DNA را می‌توان به روش‌های بیوفیزیکی و بیوشیمیایی طبقه‌بندی کرد. روش‌های بیوفیزیکی از جمله کریستالوگرافی اشعه X ،NMR و Cryo - EM، از خصوصیات فیزیکی بنیادی مولکول‌ها برای تعیین ساختار آن استفاده می‌کنند. روش‌های بیوشیمیایی از خصوصیات شیمیایی اسیدهای نوکلئیک با استفاده از معرف‌ها و شرایط خاص برای ارزیابی ساختار DNA بهره می‌برند. چنین روش‌هایی ممکن است شامل کاوش شیمیایی با معرف‌های خاص یا وابسته به شیمی طبیعی یا آنالوگ باشند. رویکردهای آزمایشی مختلف دارای مزایای منحصر به فرد بوده و برای اهداف مختلف مناسب هستند.