Нуклеарна ДНК

Нуклеарна ДНК (нДНК), или нуклеарна деоксирибонуклеинска киселина, е ДНК која се содржи во секое клеточно јадро на еукариотски организам.^[1]Со митохондријална ДНК и пластидна ДНК се кодира за поголемиот дел од геномот кај еукариотите. Се води според Менделовото наследство, со информации кои доаѓаат од двајца родители, еден маж и една жена - наместо матрилинеално (преку мајката) како во митохондријалната ДНК.^[2]

Структура

Нуклеарната ДНК е нуклеинска киселина, полимерна биомолекула или биополимер, која се наоѓа во јадрото на еукариотските клетки. Нејзината структура е двојна спирала, со две нишки навиени една околу друга, структура која првпат била опишана од страна на Френсис Крик и Џејмс Д. Вотсон (1953) кои користеле податоци собрани од Розалинд Френклин. Секоја нишка е долг полимерен синџир од повторливи нуклеотиди.^[3] Секој нуклеотид е составен од шеќер со пет јаглероди, фосфатна група и органска база. Нуклеотидите се разликуваат по нивните бази: пурини, големи бази кои вклучуваат аденин и гванин; и пиримидини, мали бази кои вклучуваат тимин и цитозин. Правилата на Чаргаф објаснуваат дека секогаш аденин се спарува со тимин, а гванин со цитозин. Фосфатните групи се држат заедно со фосфодиестерска врска, а базите се држат заедно со водородни врски.^[4]

Разлики во митохондријалната ДНК

Нуклеарната ДНК и митохондријалната ДНК се разликуваат на многу начини, почнувајќи од локацијата и структурата. Нуклеарната ДНК се наоѓа во јадрото на еукариотските клетки и обично има две копии во една клетка, додека митохондријалната ДНК се наоѓа во митохондриите и содржи 100-1.000 копии по клетка. Структурата на нуклеарните ДНК хромозоми е линеарна со отворени краеви и вклучува 46 хромозоми и содржи, на пример, 3 милијарди нуклеотиди кај луѓето, додека структурата на митохондријалниот ДНК хромозом е обично затворена, кружна и содржи на пример 16.569 нуклеотиди кај луѓето.^[5] Нуклеарната ДНК кај животните е диплоидна, и наследува ДНК од двајцата родители, додека митохондријалната ДНК е хаплоидна и доаѓа само од мајката. Стапката на мутација на нуклеарната ДНК е помала од 0,3%, додека онаа на митохондријалната ДНК е најчесто повисока.^[6]

Форензика

Нуклеарната ДНК е позната како молекула на животот и содржи генетски упатства за развој на сите еукариотски организми. Таа се наоѓа во речиси секоја клетка во човечкото тело, освен некои исклучоци, како црвените крвни зрнца. Сите луѓе имаат уникатен генетски план, дури и идентичните близнаци.^[7] Форензичките оддели како Бирото за криминално приведување (BCA) и Федералното биро за истраги (ФБИ) можат да користат техники кои вклучуваат нуклеарна ДНК за да ги споредат примероците во случаи. Техниките што се користат вклучуваат полимеразна верижна реакција (PCR), која овозможува користење на многу мали количини на ДНК со правење копии од целните региони на молекулата, исто така познати како кратки тандемски повторувања (STRs).^[8]^[9]

Клеточна делба

Како митозата, и мејозата е форма на еукариотска клеточна делба. Мејозата доведува до четири единствени ќерки клетки, од кои секоја од нив има половина од бројот на хромозоми како матичната клетка. Бидејќи мејозата создава клетки кои се предодредени да станат гамети (или репродуктивни клетки), ова намалување на бројот на хромозомите е многу важно, без него соединувањето на две гамети за време на оплодувањето би резултирало со потомство со двојно поголем број на хромозоми.

Мејозата создава нови комбинации на генетски материјал во секоја од четирите ќерки клетки. Овие нови комбинации се појавуваат од размената на ДНК помеѓу спарените хромозоми. Таквата размена значи дека гаметите произведени преку мејоза често покажуваат значителни генетски варијации.

Мејозата вклучува два процеси на нуклеарна поделба, не само еден. Пред да се подложи на мејоза, клетката поминува низ интерфазен период во кој расте, ги реплицира своите хромозоми и ги проверува сите нејзини системи за да се осигура дека е подготвена за делба.

Како митозата, мејозата исто така има различни фази наречени профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Меѓутоа, клучната разлика е во тоа што за време на мејозата, секоја од овие фази се случува двапати - еднаш за време на првиот круг на делење, наречен мејоза I, и потоа во вториот круг на делење, наречен мејоза II.^[10]

Репликација

Пред клеточната делба, ДНК-материјалот во првобитната клетка мора да се дуплира така што по клеточната делба, секоја нова клетка го содржи целото количество ДНК материјал. Процесот на дуплирање на ДНК обично се нарекува репликација. Репликацијата се нарекува полуконзервативна бидејќи секоја нова клетка содржи една нишка на оригиналната ДНК и една новосинтетизирана нишка на ДНК. Оригиналната полинуклеотидна нишка на ДНК служи како шаблон за водење на синтезата на новиот комплементарен полинуклеотид на ДНК. Шаблонот со една нишка на ДНК служи за да ја води синтезата на комплементарна нишка на ДНК.^[11]

Репликацијата на ДНК започнува на одредена локација во молекулата на ДНК наречена потекло на репликацијата. Ензимот хеликаза се одмотува и одвојува дел од молекулата на ДНК по што протеините кои врзуваат една нишка реагираат со одвоените, едноверижни делови од молекулата на ДНК и ги стабилизираат. Ензимскиот комплекс ДНК полимераза го вклучува одвоениот дел од молекулата и го започнува процесот на репликација. ДНК полимеразата може да поврзе само нови ДНК нуклеотиди со веќе постоечки синџир на нуклеотиди. Затоа, репликацијата започнува кога ензимот наречен примаза составува РНК прајмер на почетокот на репликацијата. РНК прајмерот се состои од кратка секвенца на РНК нуклеотиди и почетен дел од нишката на ДНК што се подготвува за репликација. ДНК полимеразата потоа може да додаде ДНК нуклеотиди во РНК прајмерот и на така да го започне процесот на конструирање на нова комплементарна нишка на ДНК. Подоцна РНК прајмерот се отстранува ензимски и се заменува со соодветната секвенца на ДНК нуклеотиди. Бидејќи двете комплементарни нишки на молекулата на ДНК се ориентирани во спротивни насоки и ДНК полимеразата може да прими репликација само во една насока, се користат два различни механизми за копирање на нишките на ДНК. Едно влакно се реплицира постојано кон одмотување, со тоа што го одвојува делот од оригиналната ДНК молекула; додека другата нишка дисконтинуирано се реплицира во спротивна насока со формирање на низа кратки ДНК сегменти наречени фрагменти Оказаки. Секој фрагмент од Оказаки бара посебен РНК прајмер. Додека се синтетизираат фрагментите на Оказаки, РНК прајмерите се заменуваат со ДНК нуклеотиди и фрагментите се врзуваат заедно во континуирана комплементарна нишка.^[12]

Оштетување и поправка на ДНК

Оштетувањето на нуклеарната ДНК е постојан проблем што произлегува од различни нарушувачки ендогени и егзогени извори. Еукариотите еволуирале разновиден сет на процеси за поправка на ДНК кои ги отстрануваат оштетувањата на нуклеарната ДНК. Овие процеси на поправка вклучуваат поправка на базната ексцизија, поправка на ексцизија на нуклеотид, хомологна рекомбинациска поправка, нехомологно спојување на крајот и спојување на краевите посредувано од микрохомологија. Ваквите процеси на поправка се неопходни за одржување на стабилноста на нуклеарната ДНК. Неможноста од делување со кое би се поправиле штетите има многубројни последици. Оштетувањата на нуклеарната ДНК, како и мутациите и епигенетските промени што ги предизвикуваат таквите оштетувања, според некои се сметаат за главна причина за рак. Оштетувањата на нуклеарната ДНК се исто така учествуваат во стареењето^[13] и невродегенеративните болести.^[14]^[15]

Мутација

Нуклеарната ДНК е предмет на мутација. Главна причина за мутација е непрецизната репликација на ДНК, често со специјализирани ДНК полимерази кои синтетизираат минато оштетување на ДНК во шаблонот (синтеза на транс-лезии склона кон грешки).^[16] Мутациите се јавуваат и со непрецизна поправка на ДНК. Особено склона кон мутација е патеката за поврзување на краевите посредувана од микрохомологијата за поправка на прекини со двојни нишки.^[17] Мутациите кои настануваат во нуклеарната ДНК на герминалната линија најчесто се неутрални или адаптивно неповолни. Сепак, малиот дел од мутациите кои се покажува дека се поволни обезбедуваат генетска варијација на која функционира природната селекција за да генерира нови адаптации.