Môže byť molekula života, t. j. DNA aj trojvláknová?

04. jún. 2018 • Biologické vedy

Môže byť molekula života, t. j. DNA aj trojvláknová?

Pri všetkých známych bunkových formách života je genetická informácia uložená v dvojvláknovej molekule DNA. Výnimkou môžu byť niektoré nebunkové organizmy – vírusy, u ktorých je nositeľkou genetickej informácie molekula RNA.

DNA sa replikuje (zdvojuje, kopíruje, zmnožuje) pomocou tzv. semikonzervatívneho mechanizmu, ktorý po prvý raz opísali objavitelia jej sekundárnej štruktúry – J. Watson a F. Crick. Primárnu štruktúru DNA tvoria štyri základné tehličky – dusíkaté bázy: adenín (A), guanín (G), patriace medzi puríny a cytozín (C) s tymínom (T), patriace medzi pyrimidíny. Purínové a pyrimidínové bázy tvoria na základe tzv. princípu komplementarity pomocou vodíkových väzieb bázové páry, a tak spájajú obidve vlákna pravotočivej dvojzávitnice. Komplementarita znamená, že adenín sa v DNA prednostne páruje s tymínom, nachádzajúcim sa na druhom komplementárnom vlákne dvojzávitnice (vzniká pár: A – T) a guanín sa páruje s cytozínom (vzniká pár: G – C).

Ako prebieha semikonzervatívne zdvojenie DNA?

Pri semikonzervatívnom spôsobe replikácie sa materská molekula rozpletie a na základe princípu komplementarity báz sa ku každému z oboch pôvodných reťazcov dosyntetizuje jeho komplementárne vlákno. Z pôvodnej molekuly DNA tak vznikajú dve identické (rovnaké) kópie, pričom jeden reťazec pochádza z materskej molekuly a jeden je nový. Univerzálnosť tohto procesu však neznamená, že molekulu DNA tvoria len dvojvláknové štruktúry, t. j. DNA duplexy.

Čo sa dozvedáme z histórie?

Už v 50-tych rokoch 20. storočia bolo známe, že niektoré umelo syntetizované molekuly DNA vytvárajú nielen duplexy, ale majú tendenciu vytvárať aj trojvláknové závitnice, t. j. DNA triplexy. Trojzávitnicové nukleové kyseliny boli po prvý raz popísané v roku 1957 G. Felsenfeldom a A. Richom. V tom období a ešte aj niekoľko desaťročí neskôr, reálne neexistovala možnosť získať o trojitých závitniciach DNA viac poznatkov okrem toho, že skutočne existujú. 

Štruktúry umelo syntetizovaných triplexových DNA boli neskôr navrhované tak, aby zohrali úlohu pri regulácii génovej expresie, a to pri stimulácii alebo pri inhibícii (potláčaní) (prepisu a prekladu genetickej informácie), ako aj pri rekombinácii génov vedúcich k ich novým kombináciám.

Trojvláknové DNA

V druhej polovici 20. storočia sa vďaka pokroku vo vede rozšírili možnosti štúdia sekundárnej štruktúry DNA natoľko, že sa o triplexovej DNA podarilo získať niekoľko dôležitých poznatkov. Predovšetkým sa ukázalo, že v genómoch vyšších organizmov sa prekvapujúco nachádzajú úseky obsahujúce zhluky purínových alebo pyrimidínových báz, asymetricky rozložených na komplementárnych reťazcoch, vytvárajúc ideálnu konšteláciu pre tvorbu DNA triplexov. (Genóm predstavuje všetku/úplnú genetickú informáciu zapísanú v DNA buniek). Stabilita štruktúry DNA triplexov sa dosahuje cez tzv. Hoogsteenove vodíkové väzby, ktoré sú odlišné od tých, ktoré sa tvoria pri klasickom Watson-Crickovom párovaní báz v duplexoch DNA.

ukážka väzieb

Keďže štruktúra DNA je rozhodujúcim prvkom pri určovaní jej funkcie, zaujímavá je aj skutočnosť, že trojvláknové úseky sa často nachádzajú v genóme pred génmi. Ako príklad si môžeme uviesť ľudský hemoglobínový gén, pred ktorým sa nachádza oblasť s trojvláknovou DNA.

Aké typy trojvláknovej DNA poznáme?

Od objavu trojitých závitnicových štruktúr DNA sa vedcom podarilo identifikovať DNA triplexy, vznikajúce jednak v podmienkách in vitro, a jednak in vivo. V súčasnosti prakticky rozoznávame dva typy triplexových štruktúr: triplexové štruktúry DNA môžu byť intermolekulárne – pozostávajúce z rôznych molekúl DNA, a to z DNA duplexu, na ktorý sa naviaže ďalší (väčšinou umelo syntetizovaný) oligonukleotid, t. j. jednovláknový reťazec nukleovej kyseliny pozostávajúci len z desiatok dusíkatých báz, ktoré sú komplementárne so sekvenciami tzv. cieľového duplexu. Takýto oligonukleotid sa v odbornej terminológii nazýva triplex-tvoriaci oligonukleotid a označuje sa skratkou TFO.

ukážka vzniku triplexuIntermolekulárne triplexy sú dôležité vďaka ich potenciálnej terapeutickej aplikácii. Napríklad pri inhibícii expresie génov zodpovedných za onkologické alebo neurodegeneratívne choroby človeka. Tiež hrajú dôležitú úlohu pri stimulácii opravných procesov DNA a pri tzv. usmernenej mutagenéze, respektíve miestne špecifickej mutagenéze (t. j. indukcii mutácie – dedičnej zmeny DNA) na vopred stanovenom (cieľovom) úseku DNA/géne, čo umožňuje potenciálne využitie triplexov v medicíne, farmakológii a biotechnológiách. Triplexové technológie reprezentujú nový prístup k regulácii dôležitých bunkových procesov (napr. bunkovej signalizácie, bunkového delenia, karcinogenézy, atď.) prostredníctvom manipulácie týkajúcej sa zmeny štruktúry a z nej vyplývajúcej funkcie génov podmieňujúcich tieto procesy. Vyžaduje si to však, aby cieľové gény obsahovali unikátne tzv. TFO-väzbové oblasti. Ukázalo sa, že viaceré ľudské gény, majú aspoň jedno miesto, na ktoré sa môže viazať TFO, a tak ovplyvňovať ich funkciu.

Triplexové štruktúry DNA sa môžu prirodzene vyskytovať aj ako intramolekulárne triplexy a sú označované ako H-DNA (druhý typ). Prirodzené H-DNA vznikajú v DNA tak, že asi polovica úseku so zrkadlovým usporiadaním purinových a pyrimidínových báz na komplementárnych vláknach sa prechodne rozpojí a podľa okolností sa buď pyrimidínový alebo purínový reťazec navinie na dvojzávitnicu tvorenú druhou polovicou tohto úseku. Tretí reťazec teda pochádza z pôvodnej duplexovej molekuly DNA. Aj prirodzene sa vyskytujúce H-DNA môžu spôsobiť potlačenie prepisu génov.

ukážka intramolekulárneho triplexu

Treba však otvorene priznať, že presné fungovanie mechanizmov, ktorými triplexové štruktúry (inter- a intramolekulárne) regulujú dôležité procesy DNA, akou je replikácia, transkripcia, rekombinácia a indukcia mutácií, sú stále predmetom vedeckého skúmania. Jednou z najschodnejších ciest, ktorá môže prispieť k dosiahnutiu tohto cieľa, je identifikácia proteínov, ktoré rozpoznávajú a viažu sa na triplexovú DNA, a jednak ju stabilizujú, alebo naopak odvíjajú, štiepia alebo sa prípadne zúčastňujú na jej oprave.

 

Autor: prof. RNDr. Eva Miadoková, DrSc. pre redakciu Veda na dosah, Katedra genetiky Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave

Foto v článku: z archívu prof. RNDr. Evy Miadokovej, DrSc.

Redigovala a uverejnila: VČ

 

Viac článkov o genetike od profesorky Evy Miadokovej na portáli VEDA NA DOSAH

Súvisiace:

Hore
kúpa časopisov jún 2016
Atmosféra počas TVT 2017
Publikácie Veda v CENTRE
QUARK
Aurelium - centrum vedy
CVTI SR 80. výročie
Prechod VK na VND
Veda v Centre
TVT 2017 články
TAG QUARK
TAG Ženy vo vede
TAG Spektrum vedy
TAG Slovenská veda
TAG História
TAG Rozhovor
TAG Publikácia
TAG Zaujímavosti vo vede
TAG Centrum vedy
TAG Mládež
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Metabezita označuje výskyt znakov ako vysoký krvný tlak, diabetes, hyperlipidémia u obéznych ľudí.
Zistite viac