ดีเอ็นเอ

ส่วนหนึ่งของซีรีส์เรื่อง
พันธุศาสตร์
ส่วนประกอบสำคัญ Chromosome DNA RNA Genome Heredity Mutation Nucleotide Variation Outline Index
ประวัติและหัวข้อ Introduction History Evolution (molecular) Population genetics Mendelian inheritance Quantitative genetics Molecular genetics
การวิจัย Geneticist DNA sequencing Genetic engineering Genomics ( template) Medical genetics Branches of genetics
ยาเฉพาะบุคคล Personalized medicine
พอร์ทัลชีววิทยา  หมวดหมู่
วี NS อี

ดีเอ็นเอ ( / d i ɒ k s ɪ ˌ R aɪ ขoʊ NJ U ˌ k L i ɪ k , - ˌ k ลิตรeɪ - / ( ฟัง ) ; ^[1] ดีเอ็นเอ ) เป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยสองPolynucleotideโซ่ที่ พันรอบกันจนเกิดเป็นเกลียวคู่ซึ่งมีคำสั่งทางพันธุกรรมสำหรับพัฒนาการ การทำงาน การเจริญเติบโตและการสืบพันธุ์ของสิ่งมีชีวิตที่รู้จักทั้งหมดและไวรัสมากมาย DNA และกรด ribonucleic (RNA) เป็นกรดนิวคลีอิกควบคู่ไปกับโปรตีน , ไขมันและคาร์โบไฮเดรตเชิงซ้อน ( polysaccharides ), กรดนิวคลีอิกเป็นหนึ่งในสี่ประเภทหลักของโมเลกุลที่มีความจำเป็นสำหรับรูปแบบที่รู้จักกันทั้งหมดของชีวิต

ทั้งสองสายดีเอ็นเอเป็นที่รู้จักกันpolynucleotidesที่พวกเขาจะประกอบด้วยง่ายmonomericหน่วยที่เรียกว่านิวคลีโอ ^{[2] [3]}แต่ละเบื่อหน่ายประกอบด้วยหนึ่งในสี่ของไนโตรเจนที่มี nucleobases ( cytosine [C] guanine [G], adenine [A] หรือมีน [T]) ซึ่งเป็นน้ำตาลที่เรียกว่าDeoxyriboseและกลุ่มฟอสเฟตนิวคลีโอไทด์ถูกเชื่อมเข้าด้วยกันในสายโซ่โดยพันธะโควาเลนต์(เรียกว่าการเชื่อมโยงฟอสโฟ-ไดสเตอร์) ระหว่างน้ำตาลของนิวคลีโอไทด์หนึ่งกับฟอสเฟตถัดไป ส่งผลให้เกิดแกนหลักน้ำตาลฟอสเฟตสลับกัน เบสไนโตรเจนของสายพอลินิวคลีโอไทด์ที่แยกจากกันทั้งสองเส้นถูกผูกเข้าด้วยกันตามกฎการจับคู่เบส (A กับ T และ C กับ G) ด้วยพันธะไฮโดรเจนเพื่อสร้างดีเอ็นเอที่มีเกลียวคู่ ฐานไนโตรเจนเสริมจะแบ่งออกเป็นสองกลุ่มไซและพิวรีนใน DNA ไพริมิดีนคือไทมีนและไซโตซีน พิวรีนคืออะดีนีนและกวานีน

ทั้งสองเส้นของดีเอ็นเอเกลียวคู่เก็บเดียวกันข้อมูลทางชีวภาพข้อมูลนี้จะถูกจำลองแบบเมื่อสายทั้งสองแยกจากกัน ส่วนใหญ่ของดีเอ็นเอ (มากกว่า 98% สำหรับมนุษย์) เป็นที่ไม่ใช่การเข้ารหัสซึ่งหมายความว่าส่วนเหล่านี้ไม่ได้ทำหน้าที่เป็นรูปแบบสำหรับโปรตีนทั้งสองเส้นของการทำงานของดีเอ็นเอในทิศทางตรงข้ามกับแต่ละอื่น ๆ และจึงantiparallelนิวคลีโอเบส (หรือเบส ) ติดอยู่กับน้ำตาลแต่ละชนิดเป็นลำดับของนิวคลีโอเบสทั้งสี่นี้ตามแนวกระดูกสันหลังที่เข้ารหัสข้อมูลทางพันธุกรรมสายRNAถูกสร้างขึ้นโดยใช้สาย DNA เป็นแม่แบบในกระบวนการที่เรียกว่าการถอดรหัสโดยที่ฐาน DNA ถูกแลกเปลี่ยนเป็นเบสที่สอดคล้องกัน ยกเว้นในกรณีของไทมีน (T) ซึ่ง RNA แทนที่uracil (U) ^[4]ภายใต้รหัสพันธุกรรมเหล่านี้เส้นอาร์เอ็นเอระบุลำดับของกรดอะมิโนที่อยู่ในโปรตีนในกระบวนการที่เรียกว่าการแปล

ภายในเซลล์ยูคาริโอดีเอ็นเอจัดเป็นโครงสร้างยาวเรียกว่าโครโมโซมก่อนการแบ่งเซลล์ทั่วไปโครโมโซมเหล่านี้จะทำซ้ำในกระบวนการจำลองดีเอ็นเอทำให้มีโครโมโซมครบชุดสำหรับเซลล์ลูกสาวแต่ละเซลล์สิ่งมีชีวิต eukaryotic ( สัตว์ , พืช , เชื้อราและprotists ) ร้านค้าส่วนใหญ่ของดีเอ็นเอของพวกเขาภายในนิวเคลียสของเซลล์เป็นดีเอ็นเอนิวเคลียร์และบางส่วนในmitochondriaเป็นยลดีเอ็นเอหรือในคลอโรพลาเป็นดีเอ็นเอ chloroplast ^[5]ในทางตรงกันข้ามprokaryotes ( แบคทีเรียและเคี ) เก็บดีเอ็นเอของพวกเขาเพียง แต่ในพลาสซึมในโครโมโซมวงกลม ภายในโครโมโซมยูคาริโอตโปรตีนโครมาติน เช่น ฮิสโตนบีบอัดและจัดระเบียบ DNA โครงสร้างการบดอัดเหล่านี้เป็นแนวทางในการทำงานร่วมกันระหว่าง DNA และโปรตีนอื่นๆ ซึ่งช่วยควบคุมว่าส่วนใดของ DNA จะถูกคัดลอก

คุณสมบัติ

ดีเอ็นเอเป็นเวลานานพอลิเมอทำจากหน่วยซ้ำเรียกว่านิวคลีโอซึ่งแต่ละมักจะเป้นตัวอักษรเดียว: ทั้ง, T , CหรือG ^{[6] [7]}โครงสร้างของ DNA เป็นไดนามิกตลอดความยาวของมัน สามารถม้วนเป็นวงแน่นและรูปร่างอื่น ๆ ได้^[8]ในทุกชนิดจะประกอบด้วยสองโซ่ขดลวดผูกไว้กับแต่ละอื่น ๆ โดยพันธะไฮโดรเจนโซ่ทั้งสองพันรอบแกนเดียวกัน และมีระยะพิทช์เท่ากัน34 ångströms (3.4  nm ) โซ่คู่มีรัศมี 10 Å (1.0 นาโนเมตร) ^[9]จากการศึกษาอื่น เมื่อวัดในสารละลายอื่น สาย DNA วัดความกว้าง 22–26 Å (2.2–2.6 nm) และหนึ่งหน่วยนิวคลีโอไทด์วัดความยาว 3.3 Å (0.33 นาโนเมตร) ^[10]แม้ว่าแต่ละเบื่อหน่ายของแต่ละบุคคลมีขนาดเล็กมากพอลิเมอดีเอ็นเอสามารถมีขนาดใหญ่มากและอาจมีหลายร้อยล้านของนิวคลีโอเช่นในโครโมโซม 1 โครโมโซม 1 เป็นโครโมโซมมนุษย์ที่ใหญ่ที่สุดมีประมาณ 220 ล้านคู่เบสและจะเป็นยาว85 มม.หากยืดให้ตรง ⁽¹¹⁾

โดยปกติแล้ว DNA ไม่ได้มีอยู่เป็นสายเดี่ยว แต่เป็นสายคู่ที่ยึดแน่นเข้าด้วยกัน ^{[9] [12]}ทั้งสองเส้นยาวขดลวดรอบกันและกันในรูปทรงของการเป็นเกลียวคู่ เบื่อหน่ายมีทั้งส่วนของกระดูกสันหลังของโมเลกุล (ซึ่งถือกันโซ่) และnucleobase (ซึ่งติดต่อกับดีเอ็นเออื่น ๆ ในเกลียว) nucleobase เชื่อมโยงกับน้ำตาลที่เรียกว่าnucleosideและฐานที่เชื่อมโยงกับน้ำตาลและหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งกลุ่มฟอสเฟตที่เรียกว่าเบื่อหน่าย biopolymerประกอบด้วยหลายเชื่อมโยงนิวคลีโอ (ในขณะที่ดีเอ็นเอ) เรียกว่าPolynucleotide^[13]

กระดูกสันหลังของสาย DNA ทำจากฟอสเฟตและน้ำตาลสลับกัน^[14]น้ำตาลใน DNA คือ2-deoxyriboseซึ่งเป็นน้ำตาลเพนโทส (ห้าคาร์บอน ) น้ำตาลถูกเชื่อมเข้าด้วยกันโดยกลุ่มฟอสเฟตที่สร้างพันธะฟอสโฟไดสเตอร์ระหว่างอะตอมของคาร์บอนที่สามและห้าของวงแหวนน้ำตาลที่อยู่ติดกัน สิ่งเหล่านี้เรียกว่าคาร์บอน3′-end (สามไพรม์ end) และ5′-end ( ปลายห้าไพรม์) ซึ่งเป็นสัญลักษณ์เฉพาะที่ใช้ในการแยกแยะอะตอมของคาร์บอนเหล่านี้ออกจากฐานที่ deoxyribose ก่อให้เกิดพันธะไกลโคซิดิก. ดังนั้น โดยปกติแล้วสาย DNA ใดๆ จะมีปลายด้านหนึ่งซึ่งมีหมู่ฟอสเฟตติดอยู่กับคาร์บอน 5′ ของไรโบส (ฟอสโฟริล 5′) และปลายอีกด้านที่มีหมู่ไฮดรอกซิลอิสระติดอยู่กับคาร์บอน 3′ ของ ไรโบส (ไฮดรอกซิล 3′) การวางแนวของคาร์บอน 3′ และ 5′ ตามแกนหลักของน้ำตาลฟอสเฟตทำให้เกิดทิศทาง (บางครั้งเรียกว่าขั้ว) ให้กับสาย DNA แต่ละเส้น ในนิวคลีอิกเกลียวคู่กรดทิศทางของนิวคลีโอในสาระอยู่ตรงข้ามกับทิศทางของพวกเขาในกลุ่มสาระอื่น ๆ : เส้นที่มีantiparallel. ปลายสุดอสมมาตรของสาย DNA มีทิศทางของปลายไพรม์ 5 อัน (5′ ) และปลายไพรม์สามอัน (3′) โดยที่ปลาย 5′ มีเทอร์มินอลฟอสเฟตกรุ๊ป และ 3′ สิ้นสุดที่เทอร์มินอลไฮดรอกซิล ความแตกต่างที่สำคัญอย่างหนึ่งระหว่าง DNA และRNAคือน้ำตาล โดยที่ 2-deoxyribose ใน DNA ถูกแทนที่ด้วย pentose sugar riboseทางเลือกใน RNA ⁽¹²⁾

เกลียวคู่ดีเอ็นเอมีความเสถียรเป็นหลักโดยกองกำลังสอง: พันธะไฮโดรเจนระหว่างนิวคลีโอและฐานซ้อนปฏิสัมพันธ์ในหมู่หอม nucleobases ^[16]สี่ฐานที่พบในดีเอ็นเอadenine ( ) cytosine ( C ), guanine ( G ) และมีน ( T ) เหล่านี้สี่ฐานที่แนบมากับน้ำตาลฟอสเฟตในรูปแบบเบื่อหน่ายที่สมบูรณ์ดังที่แสดงสำหรับโมโน adenosineอะดีนีนจับคู่กับไทมีนและกัวนีนจับคู่กับไซโตซีน ก่อตัวเป็นATและGC คู่ฐาน . ^{[17] [18]}

การจำแนกนิวคลีโอเบส

nucleobases จะแบ่งออกเป็นสองประเภทคือพิวรีน , และGซึ่งกำลังหลอมละลายห้าและหก membered สารประกอบเฮและไซหกวงCและT ^[12]หนึ่งในห้า pyrimidine nucleobase, uracil ( U ) มักจะใช้แทน thymine ใน RNA และแตกต่างจาก thymine โดยขาดกลุ่มเมทิลบนวงแหวน นอกจากอาร์เอ็นเอและดีเอ็นเอแล้วยังมีการสร้างแอนะล็อกกรดนิวคลีอิกเทียมจำนวนมากขึ้นเพื่อศึกษาคุณสมบัติของกรดนิวคลีอิกหรือเพื่อใช้ในเทคโนโลยีชีวภาพ ⁽¹⁹⁾

ฐานที่ไม่ใช่บัญญัติ

ฐานดัดแปลงเกิดขึ้นใน DNA สิ่งแรกที่รู้จักคือ5-methylcytosineซึ่งพบในจีโนมของMycobacterium tuberculosisในปี 1925 ^[20]สาเหตุของการมีอยู่ของเบส noncanonical เหล่านี้ในไวรัสแบคทีเรีย ( bacteriophages ) คือการหลีกเลี่ยงเอ็นไซม์จำกัดที่มีอยู่ในแบคทีเรีย ระบบเอนไซม์นี้ทำหน้าที่อย่างน้อยบางส่วนในฐานะระบบภูมิคุ้มกันระดับโมเลกุลที่ปกป้องแบคทีเรียจากการติดเชื้อไวรัส ^[21]การดัดแปลงของเบส cytosine และ adenine ซึ่งเป็นเบสที่ดัดแปลงและพบบ่อยมากขึ้น มีบทบาทสำคัญในการควบคุมepigeneticของการแสดงออกของยีนในพืชและสัตว์ ^[22]

รายการฐานที่ไม่ใช่บัญญัติที่พบในDNA

เป็นที่ทราบกันว่ามีฐานที่ไม่ใช่ตามบัญญัติจำนวนหนึ่งเกิดขึ้นใน DNA ^[23]ส่วนใหญ่เป็นการดัดแปลงฐานบัญญัติและยูราซิล

• ดัดแปลงอะดีโนซีน
  • N6-คาร์บาโมอิล-เมทิลอะดีนีน
  • N6-เมทยาดีนีน
• ดัดแปลงGuanine
  • 7-ดีอาซากัวนีน
  • 7-เมทิลกัวนีน
• ดัดแปลงCytosine
  • N4-เมทิลไซโตซีน
  • 5-คาร์บอกซิลไซโตซีน
  • 5-Formylcytosine
  • 5-Glycosylhydroxymethylcytosine
  • 5-ไฮดรอกซีไซโตซีน
  • 5-เมทิลไซโตซีน
• ไทมิดีนดัดแปลง
  • α-กลูตามิไธมิดีน
  • α-พัตเตอร์ซินิลไทมีน
• Uracilและการดัดแปลง
  • เบส เจ
  • Uracil
  • 5-ไดไฮดรอกซีเพนเทาราซิล
  • 5-Hydroxymethyldeoxyuracil
• คนอื่น
  • ดีออกซีอาร์เคโอซีน
  • 2,6-ไดอะมิโนพิวรีน (2-อะมิโนเอดีนีน)

ร่อง

เกลียวเกลียวคู่สร้างกระดูกสันหลังของดีเอ็นเอ อาจพบเกลียวคู่อีกอันหนึ่งติดตามช่องว่างหรือร่องระหว่างเกลียว ช่องว่างเหล่านี้อยู่ติดกับฐานคู่และอาจจัดให้มีเว็บไซต์ที่มีผลผูกพันเนื่องจากเส้นลวดไม่ได้จัดวางอย่างสมมาตรเมื่อเทียบกัน ร่องจึงมีขนาดไม่เท่ากัน ร่องหนึ่งร่องใหญ่กว้าง 22 อองสตรอม (2.2 นาโนเมตร) และอีกร่องหนึ่งร่องเล็กมีความกว้าง 12 Å (1.2 นาโนเมตร) ^[24]ความกว้างของร่องหลักหมายความว่าขอบของฐานสามารถเข้าถึงได้มากขึ้นในร่องหลักมากกว่าในร่องรอง เป็นผลให้โปรตีนเช่นปัจจัยการถอดรหัสที่สามารถจับกับลำดับเฉพาะใน DNA ที่มีเกลียวคู่มักจะสัมผัสกับด้านข้างของฐานที่เปิดเผยในร่องหลัก^[25]สถานการณ์นี้แตกต่างกันไปตามรูปแบบที่ผิดปกติของ DNA ภายในเซลล์(ดูด้านล่าง)แต่ร่องหลักและรองมักจะถูกตั้งชื่อเพื่อสะท้อนความแตกต่างของขนาดที่จะเห็นได้หาก DNA ถูกบิดกลับเป็นรูปแบบ B ธรรมดา

การจับคู่ฐาน

ในเกลียวคู่ของ DNA นิวคลีโอเบสแต่ละชนิดบนสายหนึ่งมีพันธะกับนิวคลีโอเบสเพียงชนิดเดียวบนอีกสายหนึ่ง นี้เรียกว่าเสริม ฐานการจับคู่พิวรีนสร้างพันธะไฮโดรเจนกับไพริมิดีน โดยมีอะดีนีนจับกับไทมีนในพันธะไฮโดรเจนสองพันธะเท่านั้น และไซโตซีนจับกับกัวนีนในพันธะไฮโดรเจนสามพันธะเท่านั้น การจัดเรียงของนิวคลีโอไทด์สองตัวนี้จับกันผ่านเกลียวคู่ (จากวงแหวนหกคาร์บอนถึงวงแหวนหกคาร์บอน) เรียกว่าคู่เบสวัตสัน-คริก ดีเอ็นเอสูงGC-เนื้อหามีเสถียรภาพมากขึ้นกว่าดีเอ็นเอที่มีระดับต่ำGCเนื้อหา คู่เบส Hoogsteen (พันธะไฮโดรเจนที่ยึดวงแหวน 6 คาร์บอนกับวงแหวน 5-carbon) เป็นรูปแบบการจับคู่เบสที่หาได้ยาก⁽²⁶⁾เนื่องจากไม่มีพันธะไฮโดรเจนโควาเลนต์สามารถแตกและประกอบใหม่ได้ค่อนข้างง่าย ทั้งสองเส้นของดีเอ็นเอเกลียวคู่จึงจะสามารถดึงออกจากกันเช่นซิปทั้งโดยแรงกลหรือสูงอุณหภูมิ ^[27]อันเป็นผลมาจากฐานคู่นี้ complementarity ข้อมูลทั้งหมดที่อยู่ในลำดับเกลียวคู่ของดีเอ็นเอเกลียวซ้ำในแต่ละกลุ่มสาระซึ่งมีความสำคัญในการคัดลอกดีเอ็นเอ ปฏิสัมพันธ์แบบย้อนกลับและเฉพาะเจาะจงระหว่างคู่เบสเสริมนี้มีความสำคัญต่อการทำงานทั้งหมดของดีเอ็นเอในสิ่งมีชีวิต ^[7]

ssDNA กับ dsDNA

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น โมเลกุล DNA ส่วนใหญ่เป็นสายพอลิเมอร์สองเส้น ถูกมัดเข้าด้วยกันเป็นเกลียวโดยพันธะที่ไม่มีโควาเลนต์โครงสร้างแบบเกลียวคู่ ( dsDNA ) นี้ได้รับการบำรุงรักษาโดยส่วนใหญ่จากการโต้ตอบการสแต็กฐานภายในซึ่งแข็งแกร่งที่สุดสำหรับสแต็กG,Cเส้นใยทั้งสองเส้นสามารถแยกออกจากกัน ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการหลอมเหลว เพื่อสร้างโมเลกุลดีเอ็นเอสายเดี่ยว ( ssDNA ) สองเส้น การหลอมละลายเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูง เกลือต่ำ และpHสูง( ค่า pHต่ำก็ทำให้ DNA ละลายเช่นกัน แต่เนื่องจาก DNA ไม่เสถียรเนื่องจากการขจัดกรดออก ค่า pH ต่ำจึงไม่ค่อยได้ใช้)

ความคงตัวของรูปแบบ dsDNA ไม่เพียงขึ้นอยู่กับปริมาณGC (% G,Cเบสคู่) แต่ยังขึ้นกับลำดับด้วย (เนื่องจากการเรียงซ้อนเป็นแบบจำเพาะของลำดับ) และความยาวด้วย (โมเลกุลที่ยาวกว่าจะมีความคงตัวมากกว่า) ความเสถียรสามารถวัดได้หลายวิธี วิธีทั่วไปคือ "อุณหภูมิหลอมเหลว" ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ 50% ของโมเลกุลสายคู่ถูกแปลงเป็นโมเลกุลสายเดี่ยว อุณหภูมิหลอมเหลวขึ้นอยู่กับความแรงของไอออนิกและความเข้มข้นของดีเอ็นเอ เป็นผลให้เป็นทั้งเปอร์เซ็นต์ของคู่เบสGCและความยาวโดยรวมของเกลียวคู่ของ DNA ที่กำหนดความแข็งแกร่งของการเชื่อมโยงระหว่างสองสายของ DNA เกลียว DNA ยาวที่มีGC .สูง-เนื้อหามีเส้นโต้ตอบที่แข็งแกร่งกว่าในขณะที่เกลียวสั้นที่มีเนื้อหาATสูงจะมีเส้นโต้ตอบที่อ่อนแอกว่า^[28]ในชีววิทยาส่วนของดีเอ็นเอเกลียวคู่ที่จะต้องแยกออกจากกันได้อย่างง่ายดายเช่นTATAAT Pribnow กล่องในบางก่อการมักจะมีสูงATเนื้อหาทำให้เส้นง่ายต่อการดึงออกจากกัน^[29]

ในห้องปฏิบัติการ ความแรงของปฏิกิริยานี้สามารถวัดได้โดยการหาอุณหภูมิที่จำเป็นในการทำลายพันธะไฮโดรเจนครึ่งหนึ่ง ซึ่งเป็นอุณหภูมิหลอมเหลว (เรียกอีกอย่างว่าค่าT _m ) เมื่อคู่เบสทั้งหมดในเกลียวคู่ของ DNA ละลาย เกลียวจะแยกออกจากกันและมีอยู่ในสารละลายเป็นโมเลกุลอิสระสองตัวทั้งหมด โมเลกุลดีเอ็นเอสายเดี่ยวเหล่านี้ไม่มีรูปร่างเหมือนกัน แต่มีโครงสร้างบางอย่างที่เสถียรกว่ารูปแบบอื่น ^[30]

ความรู้สึกและความรู้สึก

ลำดับดีเอ็นเอที่เรียกว่า "ความรู้สึก" ลำดับถ้ามันเป็นเช่นเดียวกับที่ของmessenger RNAสำเนาที่มีการแปลเป็นโปรตีน^[31]ลำดับบนเส้นตรงข้ามเรียกว่าลำดับ "antisense" ทั้งลำดับความรู้สึกและลำดับแอนติเซนส์สามารถมีอยู่ในส่วนต่างๆ ของสายดีเอ็นเอเดียวกัน (กล่าวคือ ทั้งสองสายสามารถมีทั้งลำดับความรู้สึกและแอนติเซนส์) ทั้งในโปรคาริโอตและยูคาริโอต ลำดับอาร์เอ็นเอ antisense ถูกสร้างขึ้น แต่หน้าที่ของอาร์เอ็นเอเหล่านี้ไม่ชัดเจนทั้งหมด^[32]ข้อเสนอหนึ่งคือแอนติเซนส์อาร์เอ็นเอมีส่วนเกี่ยวข้องในการควบคุมการแสดงออกของยีนผ่านการจับคู่เบสอาร์เอ็นเอ-อาร์เอ็นเอ^[33]

ไม่กี่ลำดับดีเอ็นเอใน prokaryotes และยูคาริโอและอื่น ๆ ในพลาสมิดและไวรัสเบลอความแตกต่างระหว่างความรู้สึกและแอนตี้เส้นโดยมียีนที่ทับซ้อนกัน ^[34]ในกรณีเหล่านี้ ลำดับดีเอ็นเอบางลำดับทำหน้าที่สองหน้าที่ เข้ารหัสโปรตีนหนึ่งตัวเมื่ออ่านตามสายหนึ่ง และโปรตีนตัวที่สองเมื่ออ่านในทิศทางตรงกันข้ามกับอีกสายหนึ่ง ในแบคทีเรียการทับซ้อนกันนี้อาจเกี่ยวข้องกับการควบคุมการถอดรหัสยีน^[35]ในขณะที่ไวรัส ยีนที่ทับซ้อนกันจะเพิ่มปริมาณข้อมูลที่สามารถเข้ารหัสภายในจีโนมของไวรัสขนาดเล็กได้ ⁽³⁶⁾

ซุปเปอร์คอยล์

ดีเอ็นเอสามารถบิดเหมือนเชือกในกระบวนการที่เรียกว่าดีเอ็นเอ supercoiling เมื่อ DNA อยู่ในสถานะ "ผ่อนคลาย" เส้นใยมักจะวนรอบแกนของเกลียวคู่ทุกๆ 10.4 คู่เบส แต่ถ้า DNA บิดเกลียว เกลียวจะแน่นมากขึ้นหรือเป็นแผลหลวมๆ^[37]หาก DNA บิดเบี้ยวไปในทิศทางของเกลียว นี่คือ supercoiling เชิงบวก และฐานจะถูกยึดให้แน่นยิ่งขึ้น หากบิดไปในทิศทางตรงกันข้าม จะเป็นการทำให้เกิด supercoiling เชิงลบ และฐานจะแยกออกจากกันได้ง่ายขึ้น ในธรรมชาติมากที่สุดมีดีเอ็นเอ supercoiling เชิงลบเล็กน้อยที่เป็นที่รู้จักโดยเอนไซม์ที่เรียกว่าtopoisomerases ^[38]เอนไซม์เหล่านี้ยังมีความจำเป็นในการบรรเทาความเครียดบิดนำเข้าสู่ดีเอ็นเอในระหว่างกระบวนการต่าง ๆ เช่นการถอดรหัสและการจำลองดีเอ็นเอ ^[39]

โครงสร้างดีเอ็นเอทางเลือก

ดีเอ็นเอมีอยู่ในรูปแบบที่เป็นไปได้หลายอย่างซึ่งรวมถึงรูปแบบA-DNA , B-DNA และZ-DNAแม้ว่าจะมีการสังเกตพบเพียง B-DNA และ Z-DNA โดยตรงในสิ่งมีชีวิตที่ใช้งานได้^[14]โครงสร้างที่ DNA ใช้ขึ้นอยู่กับระดับความชุ่มชื้น ลำดับ DNA ปริมาณและทิศทางของ supercoiling การดัดแปลงทางเคมีของเบส ชนิดและความเข้มข้นของไอออนของโลหะและการมีอยู่ของโพลีเอมีนในสารละลาย^[40]

รายงานที่ตีพิมพ์ครั้งแรกของรูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ A-DNA และการวิเคราะห์ B-DNA ที่ใช้โดยอิงจากการแปลงแบบ Pattersonซึ่งให้ข้อมูลโครงสร้างจำนวนจำกัดสำหรับเส้นใยที่มุ่งเน้นของ DNA ^{[41] [42]}การวิเคราะห์ทางเลือกถูกเสนอโดย Wilkins et al.ในปี 1953 สำหรับในร่างกาย B-ดีเอ็นเอ X-ray การเลี้ยวเบน-กระเจิงรูปแบบของเส้นใยดีเอ็นเอไฮเดรทสูงในแง่ของกำลังสองของหน้าที่ Bessel ^[43]ในวารสารฉบับเดียวกันเจมส์ วัตสันและฟรานซิส คริกนำเสนอแบบจำลองโมเลกุลของพวกเขาการวิเคราะห์รูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของ DNA เพื่อแนะนำว่าโครงสร้างนั้นเป็นเกลียวคู่ ^[9]

แม้ว่ารูปแบบ B-DNAจะพบได้บ่อยที่สุดภายใต้สภาวะที่พบในเซลล์^[44]ไม่ใช่รูปแบบที่กำหนดไว้อย่างดี แต่เป็นตระกูลของโครงสร้าง DNA ที่เกี่ยวข้อง^[45]ซึ่งเกิดขึ้นที่ระดับความชุ่มชื้นสูงที่มีอยู่ในเซลล์ รูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์และรูปแบบการกระเจิงของรังสีเอกซ์ที่สอดคล้องกันเป็นลักษณะของพาราคริสตัลระดับโมเลกุลที่มีระดับความผิดปกติอย่างมีนัยสำคัญ ^{[46] [47]}

เมื่อเปรียบเทียบกับ B-DNA แล้ว รูปแบบ A-DNA จะเป็นเกลียวขวาที่กว้างกว่า โดยมีร่องรองที่ตื้นและกว้าง และร่องหลักที่แคบกว่าและลึกกว่า รูปแบบ A เกิดขึ้นภายใต้สภาวะที่ไม่ใช่ทางสรีรวิทยาในตัวอย่าง DNA ที่ขาดน้ำบางส่วน ในขณะที่ในเซลล์อาจถูกสร้างขึ้นในการจับคู่แบบไฮบริดของสาย DNA และ RNA และในสารเชิงซ้อนของเอนไซม์-DNA ^{[48] [49]}ส่วนของ DNA ที่เบสได้รับการดัดแปลงทางเคมีโดยmethylationอาจได้รับการเปลี่ยนแปลงที่ใหญ่ขึ้นในรูปแบบและนำรูปแบบ Zมาใช้ ที่นี่เกลียวหมุนรอบแกนเกลียวในเกลียวซ้ายซึ่งตรงกันข้ามกับรูปแบบ B ทั่วไป^[50]โครงสร้างที่ผิดปกติเหล่านี้สามารถรับรู้ได้ด้วยโปรตีนที่จับกับ Z-DNA จำเพาะ และอาจเกี่ยวข้องกับการควบคุมการถอดรหัส ^[51]

เคมีดีเอ็นเอทางเลือก

เป็นเวลาหลายปีที่นัก exobiologistsได้เสนอการมีอยู่ของShadow biosphereซึ่งเป็นชีวมณฑลของจุลินทรีย์ในโลกที่มีการใช้กระบวนการทางชีวเคมีและโมเลกุลที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงกว่าชีวิตที่รู้จักในปัจจุบัน หนึ่งในข้อเสนอคือการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตที่ใช้สารหนูแทนฟอสฟอรัสในดีเอ็นเอ รายงานในปี 2010 ของความเป็นไปได้ในแบคทีเรีย GFAJ-1ได้รับการประกาศ^{[52] [53]}แม้ว่าการวิจัยจะถูกโต้แย้ง^{[53] [54]}และหลักฐานบ่งชี้ว่าแบคทีเรียป้องกันการรวมตัวของสารหนูเข้าไปในกระดูกสันหลังของดีเอ็นเออย่างแข็งขัน และชีวโมเลกุลอื่นๆ ^[55]

โครงสร้างสี่เท่า

ที่ปลายของโครโมโซมเส้นมีความเชี่ยวชาญภูมิภาคของดีเอ็นเอที่เรียกว่าtelomeresหน้าที่หลักของภูมิภาคเหล่านี้คือการอนุญาตให้เซลล์ทำซ้ำปลายโครโมโซมโดยใช้เอนไซม์เทโลเมอเรส เนื่องจากเอนไซม์ที่ปกติทำซ้ำดีเอ็นเอไม่สามารถคัดลอกปลายโครโมโซม 3′ สุดโต่งได้^[56]ฝาครอบโครโมโซมแบบพิเศษเหล่านี้ยังช่วยปกป้องปลาย DNA และหยุดระบบการซ่อมแซม DNAในเซลล์ไม่ให้ถือว่าเป็นความเสียหายที่ต้องแก้ไข^[57]ในเซลล์ของมนุษย์เทโลเมียร์มักจะมีความยาวของ DNA สายเดี่ยวซึ่งมีลำดับ TTAGGG อย่างง่ายจำนวนหลายพันซ้ำ^[58]

ลำดับที่อุดมด้วยกัวนีนเหล่านี้อาจทำให้ปลายโครโมโซมเสถียรโดยการสร้างโครงสร้างของชุดหน่วยสี่เบสที่ซ้อนกัน แทนที่จะเป็นคู่เบสปกติที่พบในโมเลกุลดีเอ็นเออื่นๆ ที่นี่สี่ฐาน guanine เรียกว่าguanine tetradสร้างจานแบน หน่วยสี่ฐานแบนเหล่านี้แล้ววางซ้อนกันเพื่อสร้างโครงสร้างG-quadruplex ที่มั่นคง ^[60]โครงสร้างเหล่านี้ทำให้เสถียรโดยพันธะไฮโดรเจนระหว่างขอบของฐานกับคีเลชั่นของโลหะไอออนที่อยู่ตรงกลางของหน่วยฐานสี่แต่ละหน่วย ^[61] โครงสร้างอื่นๆ สามารถสร้างได้ด้วย โดยชุดกลางของฐานสี่อันมาจากเกลียวเส้นเดียวที่พับรอบฐาน หรือเกลียวขนานที่แตกต่างกันหลายเส้น ซึ่งแต่ละอันมีส่วนสนับสนุนฐานเดียวกับโครงสร้างส่วนกลาง

นอกจากโครงสร้างที่ซ้อนกันเหล่านี้แล้ว เทโลเมียร์ยังสร้างโครงสร้างแบบวนรอบขนาดใหญ่ที่เรียกว่าเทโลเมียร์ลูปหรือทีลูป ในที่นี้ ดีเอ็นเอสายเดี่ยวจะม้วนตัวเป็นวงกลมยาวซึ่งมีโปรตีนที่จับกับเทโลเมียร์ ^[62]ที่ปลายสุดของ T-loop เทโลเมียร์ DNA แบบสายเดี่ยวถูกยึดไว้กับบริเวณของ DNA แบบสองสายโดยสายเทโลเมียร์ที่รบกวน DNA แบบเกลียวคู่และการจับคู่เบสกับหนึ่งในสองสาย นี้สามเกลียวโครงสร้างที่เรียกว่าห่วงรางหรือD-ห่วง ^[60]

DNA แตกแขนง

ใน DNA การหลุดลุ่ยเกิดขึ้นเมื่อบริเวณที่ไม่ใช่ส่วนเติมเต็มอยู่ที่ส่วนท้ายของ DNA สองสายที่เสริมกัน อย่างไรก็ตาม DNA ที่แตกแขนงสามารถเกิดขึ้นได้หากมีการแนะนำ DNA สายที่สามและประกอบด้วยบริเวณที่อยู่ติดกันที่สามารถผสมพันธุ์กับบริเวณที่เป็นฝอยของสายคู่ที่มีอยู่ก่อนได้ แม้ว่าตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของ DNA ที่มีกิ่งก้านเกี่ยวข้องกับ DNA เพียงสามสาย แต่คอมเพล็กซ์ที่เกี่ยวข้องกับสายเพิ่มเติมและหลายกิ่งก็เป็นไปได้เช่นกัน ^[63] DNA แบบแยกกิ่งสามารถใช้ในนาโนเทคโนโลยีเพื่อสร้างรูปทรงเรขาคณิต ดูหัวข้อการใช้งานในเทคโนโลยีด้านล่าง

ฐานประดิษฐ์

มีการสังเคราะห์นิวคลีโอเบสเทียมหลายตัว และรวมเข้ากับอะนาล็อกดีเอ็นเอแปดเบสที่ชื่อHachimoji DNAได้สำเร็จ ฐานเทียมเหล่านี้ขนานนามว่า S, B, P และ Z สามารถเชื่อมต่อซึ่งกันและกันในลักษณะที่คาดเดาได้ (S–B และ P–Z) รักษาโครงสร้างเกลียวคู่ของ DNA และถ่ายทอดเป็น RNA การมีอยู่ของพวกมันอาจถูกมองว่าเป็นเครื่องบ่งชี้ว่าไม่มีอะไรพิเศษเกี่ยวกับนิวคลีโอเบสธรรมชาติสี่ตัวที่วิวัฒนาการบนโลก^{[64] [65]}ในทางกลับกัน DNA มีความสัมพันธ์อย่างแน่นแฟ้นกับRNAซึ่งไม่เพียงทำหน้าที่เป็นการถอดรหัสของ DNA แต่ยังทำหน้าที่เป็นเครื่องจักรโมเลกุลหลายงานในเซลล์ เพื่อจุดประสงค์นี้จะต้องพับเป็นโครงสร้าง มันได้รับการแสดงให้เห็นว่าจะอนุญาตให้มีการสร้างโครงสร้างที่เป็นไปได้ทั้งหมดอย่างน้อยสี่ฐานที่จำเป็นสำหรับการที่สอดคล้องRNA , ^[66]ในขณะที่จำนวนที่สูงขึ้นยังเป็นไปได้ แต่นี้จะเป็นกับธรรมชาติหลักการของความพยายามน้อย

การดัดแปลงทางเคมีและการเปลี่ยนแปลงบรรจุภัณฑ์ดีเอ็นเอ

การดัดแปลงฐานและบรรจุภัณฑ์ดีเอ็นเอ

การแสดงออกของยีนได้รับอิทธิพลจากการที่ DNA ถูกบรรจุอยู่ในโครโมโซม ในโครงสร้างที่เรียกว่าโครมาติน การปรับเปลี่ยนฐานความสามารถมีส่วนร่วมในการบรรจุภัณฑ์กับภูมิภาคที่มีต่ำหรือไม่มีการแสดงออกของยีนมักจะมีระดับสูงของmethylationของcytosineฐาน บรรจุภัณฑ์ดีเอ็นเอและอิทธิพลของมันต่อการแสดงออกของยีนยังสามารถเกิดขึ้นได้จากการดัดแปลงโควาเลนต์ของแกนโปรตีนฮิสโตนรอบ ๆ ซึ่ง DNA ถูกห่อหุ้มไว้ในโครงสร้างโครมาตินหรืออย่างอื่นโดยการสร้างใหม่โดยการเปลี่ยนแปลงเชิงซ้อนของโครมาติน (ดู การเปลี่ยนแปลงของโครมาติน ) นอกจากนี้ยังมีcrosstalkระหว่าง DNA methylation และ histone modified ดังนั้นพวกมันจึงสามารถส่งผลต่อโครมาตินและการแสดงออกของยีนได้^[67]

ตัวอย่างเช่น cytosine methylation ผลิต5-methylcytosineซึ่งมีความสำคัญต่อX-inactivationของโครโมโซม^[68]ระดับเมทิลเลชันโดยเฉลี่ยแตกต่างกันไปตามสิ่งมีชีวิต—หนอนCaenorhabditis elegansขาด cytosine methylation ในขณะที่สัตว์มีกระดูกสันหลังมีระดับที่สูงกว่า โดยถึง 1% ของ DNA ของพวกมันที่มี 5-methylcytosine ^[69]แม้จะมีความสำคัญของ 5 methylcytosine ก็สามารถdeaminateที่จะออกจากฐานมีนที่ cytosines เมทิลเลชั่นเพื่อให้มีโดยเฉพาะอย่างยิ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดการกลายพันธุ์ ^[70]การดัดแปลงเบสอื่นๆ ได้แก่ adenine methylation ในแบคทีเรีย การมีอยู่ของ5-hydroxymethylcytosineในสมอง , ^[71]และglycosylationของ uracil ในการผลิต "J-ฐาน" ในkinetoplastids ^{[72] [73]}

ความเสียหาย

ดีเอ็นเอได้รับความเสียหายหลายประเภทของสารก่อกลายพันธุ์ซึ่งเปลี่ยนลำดับดีเอ็นเอสารก่อกลายพันธุ์ ได้แก่ตัวแทนออกซิไดซ์ , ตัวแทน alkylatingและพลังงานสูงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นรังสีอัลตราไวโอเลตแสงและรังสีเอกซ์ประเภทของความเสียหายของ DNA ที่เกิดขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของการกลายพันธุ์ ตัวอย่างเช่น แสงยูวีสามารถทำลาย DNA โดยการผลิตไทมีนไดเมอร์ ซึ่งเป็นตัวเชื่อมขวางระหว่างเบสไพริมิดีน^[75]ในทางกลับกัน สารออกซิไดซ์ เช่นอนุมูลอิสระหรือไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์สร้างความเสียหายได้หลายรูปแบบ รวมถึงการดัดแปลงฐาน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง guanosine และการแตกสองเส้น^[76]เซลล์ของมนุษย์โดยทั่วไปมีประมาณ 150,000 เบสซึ่งได้รับความเสียหายจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน^[77]แผลออกซิเดชันเหล่านี้เป็นอันตรายมากที่สุดคือคู่สาระแบ่งเป็นเหล่านี้เป็นเรื่องยากที่จะซ่อมแซมและสามารถผลิตการกลายพันธุ์จุด , แทรก , ลบจากลำดับดีเอ็นเอและการสับเปลี่ยนของโครโมโซม ^[78]การกลายพันธุ์เหล่านี้สามารถทำให้เกิดมะเร็งได้ เนื่องจากกลไกการซ่อมแซม DNA มีข้อจำกัดโดยธรรมชาติ หากมนุษย์มีอายุยืนยาวเพียงพอ พวกมันทั้งหมดจะกลายเป็นมะเร็งในที่สุด^{[79] [80]}ความเสียหายของ DNA ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเนื่องจากกระบวนการของเซลล์ปกติที่ผลิตออกซิเจนชนิดปฏิกิริยา กิจกรรมไฮโดรไลติกของน้ำในเซลล์ ฯลฯ ก็เกิดขึ้นบ่อยครั้งเช่นกัน แม้ว่าความเสียหายเหล่านี้ส่วนใหญ่จะได้รับการซ่อมแซม แต่ในเซลล์ใดๆ ก็ตาม ความเสียหายของ DNA บางส่วนอาจยังคงอยู่แม้จะมีกระบวนการซ่อมแซมก็ตาม ความเสียหายของ DNA ที่เหลือเหล่านี้สะสมตามอายุในเนื้อเยื่อ postmitotic ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม การสะสมนี้ดูเหมือนจะเป็นสาเหตุสำคัญของการแก่ชรา^{[81] [82] [83]}

สารก่อกลายพันธุ์หลายพอดีกับช่องว่างระหว่างสองคู่ฐานที่อยู่ติดกันนี้เรียกว่าเสพอินเทอร์คาเลเตอร์ส่วนใหญ่เป็นโมเลกุลอะโรมาติกและระนาบ ตัวอย่าง ได้แก่โบรไมด์ ethidium , acridines , daunomycinและdoxorubicinเพื่อให้อินเทอร์คาเลเตอร์พอดีระหว่างคู่เบส ฐานต้องแยกจากกัน ทำให้สายดีเอ็นเอบิดเบี้ยวโดยการคลายเกลียวคู่ สิ่งนี้ยับยั้งทั้งการถอดรหัสและการจำลองแบบของ DNA ทำให้เกิดความเป็นพิษและการกลายพันธุ์^[84]เป็นผลให้ intercalators ดีเอ็นเออาจจะเป็นสารก่อมะเร็งและในกรณีของ thalidomide เป็นteratogen ^[85]อื่นๆ เช่นbenzo[] ไพรีนไดออลอิพอกไซด์และอะฟลาท็อกซินรูปแบบ adducts ดีเอ็นเอที่ทำให้เกิดความผิดพลาดในการจำลองแบบ ^[86]อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความสามารถในการยับยั้งการถอดรหัสและการจำลองแบบของ DNA สารพิษอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกันจึงถูกใช้ในเคมีบำบัดเพื่อยับยั้งเซลล์มะเร็งที่เติบโตอย่างรวดเร็ว ^[87]

ฟังก์ชั่นทางชีวภาพ

ดีเอ็นเอมักจะเกิดขึ้นเป็นเชิงเส้นโครโมโซมในยูคาริโอและโครโมโซมวงกลมในprokaryotesชุดของโครโมโซมในเซลล์ทำให้ขึ้นของจีโนม ; จีโนมมนุษย์มีประมาณ 3 พันล้านคู่เบสของดีเอ็นเอจัดเป็น 46 โครโมโซม^[88]ข้อมูลที่ดำเนินการโดยดีเอ็นเอจะจัดขึ้นในลำดับของชิ้นส่วนของดีเอ็นเอที่เรียกว่ายีน การแพร่เชื้อข้อมูลทางพันธุกรรมในยีนทำได้โดยการจับคู่เบสเสริม ตัวอย่างเช่น ในการถอดรหัส เมื่อเซลล์ใช้ข้อมูลในยีน ลำดับ DNA จะถูกคัดลอกไปยังลำดับ RNA เสริมผ่านการดึงดูดระหว่าง DNA และ RNA nucleotides ที่ถูกต้อง โดยปกติ สำเนาอาร์เอ็นเอนี้จะใช้เพื่อสร้างลำดับโปรตีนที่ตรงกันในกระบวนการที่เรียกว่าการแปลซึ่งขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์เดียวกันระหว่างอาร์เอ็นเอนิวคลีโอไทด์ ในแฟชั่นทางเลือกมือถือก็อาจคัดลอกข้อมูลทางพันธุกรรมในกระบวนการที่เรียกว่าจำลองดีเอ็นเอ รายละเอียดของฟังก์ชันเหล่านี้จะกล่าวถึงในบทความอื่นๆ จุดสนใจอยู่ที่ปฏิสัมพันธ์ระหว่าง DNA และโมเลกุลอื่นๆ ที่เป็นสื่อกลางในการทำงานของจีโนม

ยีนและจีโนม

จีโนมดีเอ็นเอถูกบรรจุอย่างแน่นหนาและเป็นระเบียบในกระบวนการที่เรียกว่าการรวมตัวของดีเอ็นเอเพื่อให้พอดีกับปริมาตรของเซลล์ที่มีขนาดเล็ก ในยูคาริโอดีเอ็นเอตั้งอยู่ในนิวเคลียสของเซลล์ที่มีขนาดเล็กจำนวนมากในmitochondriaและคลอโรพลาใน prokaryotes ดีเอ็นเอจะจัดขึ้นภายในร่างกายของรูปทรงในเซลล์ที่เรียกว่าnucleoid ^[89]ข้อมูลทางพันธุกรรมในจีโนมที่จะจัดขึ้นภายในยีนและชุดที่สมบูรณ์ของข้อมูลนี้ในสิ่งมีชีวิตที่เรียกว่าของจีโนไทป์ยีนเป็นหน่วยของการถ่ายทอดทางพันธุกรรมและเป็นบริเวณของ DNA ที่มีอิทธิพลต่อลักษณะเฉพาะในสิ่งมีชีวิต ยีนประกอบด้วย anกรอบการอ่านแบบเปิดที่สามารถถอดความได้ และลำดับการกำกับดูแลเช่นโปรโมเตอร์และเอนแฮนเซอร์ ซึ่งควบคุมการถอดความของกรอบการอ่านแบบเปิด

ในหลายสปีชีส์ มีเพียงส่วนน้อยของลำดับทั้งหมดของจีโนมเท่านั้นที่เข้ารหัสโปรตีน ยกตัวอย่างเช่นเพียงประมาณ 1.5% ของจีโนมมนุษย์ประกอบด้วยโปรตีนเข้ารหัสexonsที่มีมากกว่า 50% ของดีเอ็นเอของมนุษย์ประกอบด้วยไม่ใช่การเข้ารหัสวนเวียนซ้ำ ๆ^[90]สาเหตุของการมีอยู่ของDNA ที่ไม่ได้เข้ารหัสจำนวนมากในยูคาริโอตจีโนมและความแตกต่างที่ไม่ธรรมดาของขนาดจีโนมหรือค่า Cในบรรดาสปีชีส์ เป็นตัวแทนของปริศนาที่มีมาช้านานที่รู้จักกันในชื่อ " ปริศนาค่า C " ^[91]อย่างไรก็ตาม ลำดับ DNA บางลำดับที่ไม่ได้เข้ารหัสโปรตีนอาจยังคงเข้ารหัสRNA . ที่ทำงานได้ซึ่งไม่ได้เข้ารหัสโมเลกุลซึ่งมีส่วนร่วมในการควบคุมการแสดงออกของยีน ^[92]

ลำดับดีเอ็นเอที่ไม่เข้ารหัสบางอย่างมีบทบาทเชิงโครงสร้างในโครโมโซม telomeresและcentromeresมักจะมียีนน้อย แต่มีความสำคัญสำหรับการทำงานและความมั่นคงของโครโมโซม ^{[57] [94]}แบบฟอร์มที่อุดมสมบูรณ์ของ noncoding ดีเอ็นเอมนุษย์pseudogenesซึ่งเป็นสำเนาของยีนที่ได้รับการปิดการใช้งานจากการกลายพันธุ์ ^[95]ลำดับเหล่านี้มักจะเป็นเพียงแค่โมเลกุลฟอสซิลแม้ว่าพวกเขาบางครั้งสามารถใช้เป็นวัตถุดิบสารพันธุกรรมสำหรับการสร้างของยีนใหม่ผ่านกระบวนการของการทำสำเนายีนและความแตกต่าง ^[96]

การถอดความและการแปล

ยีนคือลำดับของ DNA ที่มีข้อมูลทางพันธุกรรมและสามารถมีอิทธิพลต่อฟีโนไทป์ของสิ่งมีชีวิต ภายในยีน ลำดับเบสตามสาย DNA จะกำหนดลำดับRNA ของผู้ส่งสารซึ่งจะกำหนดลำดับโปรตีนตั้งแต่หนึ่งลำดับขึ้นไป ความสัมพันธ์ระหว่างลำดับเบสของยีนและกรดอะมิโนลำดับของโปรตีนจะถูกกำหนดโดยกฎของการแปลเป็นที่รู้จักกันเป็นรหัสพันธุกรรมรหัสพันธุกรรมประกอบด้วย 'คำ' สามตัวอักษรที่เรียกว่าcodons ซึ่งเกิดขึ้นจากลำดับของนิวคลีโอไทด์สามตัว (เช่น ACT, CAG, TTT)

ในการถอดความ codons ของยีนที่มีการคัดลอกลงใน messenger RNA โดยโพลิเมอร์ rnaสำเนา RNA นี้จะถูกถอดรหัสโดยไรโบโซมที่อ่านลำดับ RNA โดยการจับคู่เบสกับ RNA ของผู้ส่งสารเพื่อถ่ายโอน RNAซึ่งมีกรดอะมิโนอยู่ เนื่องจากมี 4 ฐานในชุดค่าผสม 3 ตัวอักษร จึงมีโคดอนที่เป็นไปได้ 64 ชุด (4  ชุดค่าผสม³ชุด) สิ่งเหล่านี้เข้ารหัสกรดอะมิโนมาตรฐาน 20 ชนิดทำให้กรดอะมิโนส่วนใหญ่มีโคดอนที่เป็นไปได้มากกว่าหนึ่งตัว นอกจากนี้ยังมีโคดอน 'หยุด' หรือ 'ไร้สาระ' สามโคดอนที่แสดงถึงจุดสิ้นสุดของขอบเขตการเข้ารหัส เหล่านี้คือรหัส TAG, TAA และ TGA (UAG, UAA และ UGA บน mRNA)

การจำลองแบบ

การแบ่งเซลล์เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิต แต่เมื่อเซลล์แบ่งตัว จะต้องทำซ้ำ DNA ในจีโนมของมัน เพื่อให้เซลล์ลูกสาวทั้งสองมีข้อมูลทางพันธุกรรมเดียวกันกับพ่อแม่ โครงสร้างเกลียวคู่ดีเอ็นเอให้กลไกง่ายสำหรับจำลองดีเอ็นเอที่นี่สองเส้นจะถูกแยกออกแล้วแต่ละเส้นของดีเอ็นเอเสริมลำดับที่ถูกสร้างโดยเอนไซม์ที่เรียกว่าDNA Polymerase เอ็นไซม์นี้สร้างเกลียวคู่ขนานโดยการค้นหาเบสที่ถูกต้องผ่านการจับคู่เบสเสริมและเชื่อมเข้ากับเกลียวเดิม เนื่องจากดีเอ็นเอโพลีเมอเรสสามารถขยายสาย DNA ได้ในทิศทาง 5 ถึง 3 เท่านั้น จึงมีการใช้กลไกต่างๆ ในการคัดลอกเกลียวคู่ขนานกัน^[97]ด้วยวิธีนี้ ฐานบนสายเก่าจะกำหนดว่าฐานใดปรากฏบนเกลียวใหม่ และเซลล์ก็ลงเอยด้วยสำเนาดีเอ็นเอที่สมบูรณ์แบบของมัน

กรดนิวคลีอิกนอกเซลล์

ดีเอ็นเอนอกเซลล์เปลือย (eDNA) ซึ่งส่วนใหญ่ปล่อยออกมาจากการตายของเซลล์นั้นมีอยู่เกือบทั่วไปในสิ่งแวดล้อม ความเข้มข้นในดินอาจสูงถึง 2 ไมโครกรัม/ลิตร และความเข้มข้นในสภาพแวดล้อมทางน้ำตามธรรมชาติอาจสูงถึง 88 ไมโครกรัม/ลิตร^[98]ฟังก์ชั่นที่เป็นไปได้ต่าง ๆ ได้รับการเสนอชื่อสำหรับ Edna: มันอาจจะมีส่วนร่วมในการถ่ายโอนยีนแนวนอน ; ^[99]อาจให้สารอาหาร^[100]และอาจทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์ในการสรรหาหรือไทเทรตไอออนหรือยาปฏิชีวนะ^[101] Extracellular DNA ทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบ extracellular matrix ในแผ่นชีวะของแบคทีเรียหลายชนิด อาจทำหน้าที่เป็นปัจจัยการจดจำเพื่อควบคุมการยึดติดและการแพร่กระจายของเซลล์บางชนิดในไบโอฟิล์ม^[102]มันอาจนำไปสู่การก่อตัวของไบโอฟิล์ม; ^[103]และอาจส่งผลต่อความแข็งแรงทางกายภาพของฟิล์มชีวภาพและความต้านทานต่อความเครียดทางชีวภาพ ^[104]

DNA ของทารกในครรภ์ที่ไม่มีเซลล์นั้นพบได้ในเลือดของมารดา และสามารถจัดลำดับเพื่อหาข้อมูลมากมายเกี่ยวกับทารกในครรภ์ที่กำลังพัฒนา ^[105]

ภายใต้ชื่อDNAของสิ่งแวดล้อม eDNA ได้เห็นการใช้งานที่เพิ่มขึ้นในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติเป็นเครื่องมือสำรวจสำหรับนิเวศวิทยาเฝ้าติดตามการเคลื่อนไหวและการมีอยู่ของสายพันธุ์ในน้ำ อากาศ หรือบนบก และการประเมินความหลากหลายทางชีวภาพของพื้นที่ ^{[106] [107]}

กับดักนิวโทรฟิลนอกเซลล์

กับดักนิวโทรฟิลนอกเซลล์ (NETs) เป็นเครือข่ายของเส้นใยนอกเซลล์ ซึ่งประกอบด้วย DNA เป็นหลัก ซึ่งช่วยให้นิวโทรฟิลซึ่งเป็นเซลล์เม็ดเลือดขาวชนิดหนึ่ง สามารถฆ่าเชื้อก่อโรคนอกเซลล์ในขณะที่ลดความเสียหายต่อเซลล์เจ้าบ้าน

ปฏิกิริยากับโปรตีน

หน้าที่ทั้งหมดของ DNA ขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์กับโปรตีน อันตรกิริยาของโปรตีนเหล่านี้สามารถเป็นแบบไม่จำเพาะ หรือโปรตีนสามารถจับอย่างจำเพาะกับลำดับดีเอ็นเอเดี่ยว เอ็นไซม์ยังสามารถจับกับ DNA และของเหล่านี้ โพลีเมอเรสที่คัดลอกลำดับเบสของ DNA ในการถอดรหัสและการจำลองแบบของ DNA มีความสำคัญอย่างยิ่ง

โปรตีนที่จับกับดีเอ็นเอ

โปรตีนโครงสร้างที่จับ DNA เป็นตัวอย่างที่เข้าใจกันดีของปฏิกิริยาระหว่าง DNA กับโปรตีนที่ไม่เฉพาะเจาะจง ภายในโครโมโซม DNA ถูกเก็บไว้ในสารเชิงซ้อนที่มีโปรตีนโครงสร้าง โปรตีนเหล่านี้จัด DNA ให้เป็นโครงสร้างกะทัดรัดที่เรียกว่าโครมาติน ในยูคาริโอต โครงสร้างนี้เกี่ยวข้องกับการจับ DNA กับความซับซ้อนของโปรตีนพื้นฐานขนาดเล็กที่เรียกว่าฮิสโตนในขณะที่โปรคาริโอตมีโปรตีนหลายประเภทที่เกี่ยวข้อง^{[108] [109] ฮิส}โตนก่อตัวเป็นคอมเพล็กซ์รูปดิสก์ที่เรียกว่านิวคลีโอโซมซึ่งประกอบด้วยดีเอ็นเอเกลียวคู่สองรอบที่พันรอบพื้นผิวของมัน อันตรกิริยาที่ไม่จำเพาะเหล่านี้เกิดขึ้นจากสารตกค้างพื้นฐานในฮิสโตน ทำให้เกิดพันธะไอออนิกไปที่กระดูกสันหลังที่เป็นกรดของน้ำตาลฟอสเฟตของ DNA และส่วนใหญ่ไม่ขึ้นกับลำดับเบส^[110]การปรับเปลี่ยนพื้นฐานทางเคมีของกรดอะมิโนเหล่านี้รวมถึงmethylation , phosphorylationและacetylation ^[111]การเปลี่ยนแปลงทางเคมีเหล่านี้เปลี่ยนแปลงความแข็งแกร่งของปฏิสัมพันธ์ระหว่าง DNA และฮิสโตน ทำให้ DNA เข้าถึงปัจจัยการถอดรหัสได้มากขึ้นหรือน้อยลงและอัตราการถอดรหัสเปลี่ยนไป^[112]โปรตีนจับ DNA ที่ไม่เฉพาะเจาะจงอื่นๆ ในโครมาตินรวมถึงโปรตีนกลุ่มที่มีความคล่องตัวสูง ซึ่งจับกับ DNA ที่โค้งงอหรือบิดเบี้ยว^[113]โปรตีนเหล่านี้มีความสำคัญในการดัดอาร์เรย์ของนิวคลีโอโซมและจัดเรียงให้เป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ที่ประกอบเป็นโครโมโซม ^[14]

กลุ่มที่แตกต่างกันของโปรตีนที่จับกับดีเอ็นเอคือโปรตีนที่จับกับดีเอ็นเอซึ่งจับดีเอ็นเอสายเดี่ยวอย่างจำเพาะ ในมนุษย์โปรตีนการจำลองแบบAเป็นสมาชิกที่เข้าใจกันดีที่สุดในตระกูลนี้ และใช้ในกระบวนการที่แยกเกลียวคู่ ซึ่งรวมถึงการจำลองแบบดีเอ็นเอ การรวมตัวใหม่ และการซ่อมแซมดีเอ็นเอ ^[115]โปรตีนการจับเหล่านี้ดูเหมือนจะทำให้ DNA สายเดี่ยวมีเสถียรภาพและปกป้องมันจากการก่อตัวเป็นลูปของต้นกำเนิดหรือถูกทำลายโดยนิวคลีเอส

ในทางตรงกันข้าม โปรตีนอื่นๆ ได้วิวัฒนาการมาเพื่อจับกับลำดับดีเอ็นเอเฉพาะ การศึกษาอย่างละเอียดถี่ถ้วนที่สุดคือปัจจัยการถอดรหัสต่างๆซึ่งเป็นโปรตีนที่ควบคุมการถอดรหัส ปัจจัยการถอดรหัสแต่ละตัวจับกับลำดับดีเอ็นเอชุดหนึ่งโดยเฉพาะ และกระตุ้นหรือยับยั้งการถอดรหัสของยีนที่มีลำดับเหล่านี้ใกล้กับโปรโมเตอร์ ปัจจัยการถอดความทำเช่นนี้ในสองวิธี ประการแรก พวกมันสามารถจับ RNA polymerase ที่มีหน้าที่ในการถอดรหัส ไม่ว่าโดยตรงหรือผ่านโปรตีนตัวกลางอื่น ๆ นี้หาตำแหน่งพอลิเมอเรสที่โปรโมเตอร์และอนุญาตให้เริ่มการถอดความ^[117]อีกทางหนึ่ง ปัจจัยการถอดรหัสสามารถจับเอนไซม์ได้ที่ปรับเปลี่ยนฮิสโตนที่โปรโมเตอร์ สิ่งนี้จะเปลี่ยนการช่วยสำหรับการเข้าถึงของเทมเพลต DNA เป็นโพลีเมอเรส^[118]

เนื่องจากเป้าหมายของ DNA เหล่านี้สามารถเกิดขึ้นได้ทั่วทั้งจีโนมของสิ่งมีชีวิต การเปลี่ยนแปลงในกิจกรรมของปัจจัยการถอดรหัสชนิดหนึ่งอาจส่งผลต่อยีนหลายพันตัว^[119]ดังนั้น โปรตีนเหล่านี้มักจะเป็นเป้าหมายของกระบวนการถ่ายทอดสัญญาณที่ควบคุมการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมหรือการสร้างความแตกต่างและการพัฒนาของเซลล์ความจำเพาะของปฏิสัมพันธ์ของปัจจัยการถอดรหัสเหล่านี้กับ DNA มาจากโปรตีนที่สัมผัสกับขอบของฐาน DNA หลายครั้ง ทำให้พวกมันสามารถ "อ่าน" ลำดับดีเอ็นเอได้ ปฏิกิริยาระหว่างฐานเหล่านี้ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในร่องหลัก ซึ่งเข้าถึงฐานได้มากที่สุด^[25]

เอนไซม์ดัดแปลงดีเอ็นเอ

นิวเคลียสและไลกาส

นิวคลีเอสเป็นเอนไซม์ที่ตัดสายดีเอ็นเอโดยเร่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของพันธะฟอสโฟไดสเตอร์ นิวคลีเอสที่ไฮโดรไลซ์นิวคลีโอไทด์จากปลายสาย DNA เรียกว่าexonucleasesในขณะที่เอ็นโดนิวคลีเอสตัดภายในเส้น นิวคลีเอสที่ใช้บ่อยที่สุดในอณูชีววิทยาคือเอ็นโดนิวคลีเอสจำกัดซึ่งตัดดีเอ็นเอในลำดับเฉพาะ ตัวอย่างเช่น เอนไซม์ EcoRV ที่แสดงทางด้านซ้ายรับรู้ลำดับ 6 เบส 5′-GATATC-3′ และทำการตัดที่เส้นแนวนอน โดยธรรมชาติแล้ว เอ็นไซม์เหล่านี้ปกป้องแบคทีเรียจากฟาจการติดเชื้อโดยการย่อยดีเอ็นเอ phage เมื่อมันเข้าสู่เซลล์ของแบคทีเรียทำหน้าที่เป็นส่วนหนึ่งของระบบการปรับเปลี่ยนข้อ จำกัด ^[121]ในเทคโนโลยีเหล่านี้ nucleases ลำดับเฉพาะที่ใช้ในการโคลนโมเลกุลและพิมพ์ลายนิ้วมือดีเอ็นเอ

เอ็นไซม์ที่เรียกว่าDNA ligasesสามารถรวมตัวกับสาย DNA ที่ถูกตัดหรือหักได้ ^[122] Ligases มีความสำคัญเป็นพิเศษในการจำลอง DNA ของสายที่ล้าหลังเนื่องจากพวกมันรวมส่วนสั้นของ DNA ที่ผลิตขึ้นที่ส้อมการจำลองแบบเข้าด้วยกันเป็นสำเนาแม่แบบ DNA ที่สมบูรณ์ พวกเขายังใช้ในการซ่อมแซมดีเอ็นเอและการรวมตัวกันทางพันธุกรรม ^[122]

Topoisomerases และ helicases

Topoisomeraseเป็นเอ็นไซม์ที่มีทั้งกิจกรรม nuclease และ ligase โปรตีนเหล่านี้เปลี่ยนปริมาณของsupercoilingใน DNA เอ็นไซม์เหล่านี้บางส่วนทำงานโดยการตัดเกลียวดีเอ็นเอและปล่อยให้ส่วนใดส่วนหนึ่งหมุนได้ ซึ่งจะช่วยลดระดับของขดลวดยิ่งยวด เอ็นไซม์จะผนึกการแตกของดีเอ็นเอ^[38]เอนไซม์ประเภทอื่น ๆ เหล่านี้สามารถตัดเกลียวดีเอ็นเอหนึ่งเส้นแล้วส่งผ่านสายดีเอ็นเอเส้นที่สองผ่านรอยแยกนี้ก่อนที่จะรวมเข้ากับเกลียว^[123] Topoisomerases จำเป็นสำหรับกระบวนการหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับ DNA เช่นการจำลอง DNA และการถอดรหัส^[39]

Helicasesเป็นโปรตีนที่มีประเภทของมอเตอร์โมเลกุล พวกเขาใช้พลังงานเคมีในนิวคลีโอไซด์ไตรฟอสเฟตซึ่งส่วนใหญ่เป็นอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP) เพื่อทำลายพันธะไฮโดรเจนระหว่างเบสและคลายเกลียวคู่ของ DNA ออกเป็นเส้นเดียว ^[124]เอ็นไซม์เหล่านี้จำเป็นสำหรับกระบวนการส่วนใหญ่ที่เอ็นไซม์จำเป็นต้องเข้าถึงฐานดีเอ็นเอ

โพลีเมอเรส

polymerasesมีเอนไซม์ที่สังเคราะห์โซ่ Polynucleotide จากtriphosphates nucleosideลำดับของผลิตภัณฑ์ของพวกเขาจะสร้างขึ้นบนพื้นฐานที่มีอยู่ Polynucleotide โซ่ซึ่งเรียกว่าแม่เอนไซม์เหล่านี้ทำงานโดยการเพิ่มนิวคลีโอไทด์ซ้ำๆ ในกลุ่มไฮดรอกซิล 3′ ที่ส่วนท้ายของสายพอลินิวคลีโอไทด์ที่กำลังเติบโต ด้วยเหตุนี้ พอลิเมอเรสทั้งหมดทำงานในทิศทาง 5′ ถึง 3′ ^[125]ในบริเวณที่ทำงานของเอ็นไซม์เหล่านี้ เบสคู่ของนิวคลีโอไซด์ไตรฟอสเฟตที่เข้ามาจะจับคู่กับแม่แบบ: สิ่งนี้ทำให้โพลีเมอเรสสามารถสังเคราะห์เส้นใยเสริมของแม่แบบได้อย่างแม่นยำ พอลิเมอเรสถูกจำแนกตามประเภทของแม่แบบที่ใช้

ในการจำลองแบบของ DNA DNA polymerase ที่ขึ้นกับDNAจะทำสำเนาของสาย DNA polynucleotide เพื่อรักษาข้อมูลทางชีววิทยา จำเป็นที่ลำดับของเบสในแต่ละสำเนาจะต้องเสริมกันอย่างแม่นยำกับลำดับของเบสในเกลียวแม่แบบ DNA polymerase จำนวนมากมีกิจกรรมการพิสูจน์อักษรที่นี่ โพลีเมอเรสตระหนักถึงความผิดพลาดเป็นครั้งคราวในปฏิกิริยาการสังเคราะห์โดยขาดการจับคู่เบสระหว่างนิวคลีโอไทด์ที่ไม่ตรงกัน หากตรวจพบไม่ตรงกันกิจกรรมexonuclease 3′ ถึง 5′ จะถูกเปิดใช้งานและลบฐานที่ไม่ถูกต้อง^[126]ในสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ DNA polymerase ทำงานในคอมเพล็กซ์ขนาดใหญ่ที่เรียกว่าreplisomeที่มีหน่วยย่อยเสริมหลายตัวเช่นดีเอ็นเอยึดหรือhelicases ^[127]

DNA polymerase ที่ขึ้นกับ RNA เป็นคลาสเฉพาะของโพลีเมอเรสที่คัดลอกลำดับของสาย RNA ไปเป็น DNA ซึ่งรวมถึงreverse transcriptaseซึ่งเป็นเอนไซม์ไวรัสที่เกี่ยวข้องกับการติดเชื้อของเซลล์โดยretrovirusesและtelomeraseซึ่งจำเป็นสำหรับการจำลองเทโลเมียร์ ^{[56] [128]}ตัวอย่างเช่น HIV reverse transcriptase เป็นเอนไซม์สำหรับการจำลองแบบไวรัสเอดส์ ^[128] Telomerase เป็นโพลีเมอเรสที่ผิดปกติเพราะมีเทมเพลต RNA ของตัวเองเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้าง สังเคราะห์เทโลเมียร์ที่ปลายโครโมโซม เทโลเมียร์ป้องกันการหลอมรวมของปลายโครโมโซมข้างเคียงและปกป้องปลายโครโมโซมจากความเสียหาย^[57]

การถอดความดำเนินการโดยRNA polymeraseที่ขึ้นกับ DNA ซึ่งจะคัดลอกลำดับของสาย DNA ไปเป็น RNA ในการเริ่มต้นถ่ายทอดยีน RNA polymerase จะจับกับลำดับของ DNA ที่เรียกว่าโปรโมเตอร์และแยกสาย DNA จากนั้นจะคัดลอกลำดับของยีนลงในทรานสคริปต์RNA ของผู้ส่งสารจนกระทั่งไปถึงบริเวณ DNA ที่เรียกว่าเทอร์มิเนเตอร์ ซึ่งจะหยุดและแยกออกจากดีเอ็นเอ เช่นเดียวกับ DNA polymerase ที่ขึ้นกับ DNA ของมนุษย์RNA polymerase IIเอนไซม์ที่ถ่ายทอดยีนส่วนใหญ่ในจีโนมมนุษย์ ทำงานเป็นส่วนหนึ่งของคอมเพล็กซ์โปรตีนขนาดใหญ่ที่มีหน่วยย่อยด้านกฎระเบียบและอุปกรณ์เสริมหลายหน่วย ^[129]

การผสมผสานทางพันธุกรรม

เกลียวของ DNA มักจะไม่มีปฏิสัมพันธ์กับส่วนอื่นๆ ของ DNA และในเซลล์ของมนุษย์ โครโมโซมที่ต่างกันถึงกับครอบครองพื้นที่แยกกันในนิวเคลียสที่เรียกว่า " ดินแดนโครโมโซม " ^[131]การแยกทางกายภาพของโครโมโซมที่แตกต่างกันนี้มีความสำคัญต่อความสามารถของ DNA ในการทำหน้าที่เป็นที่เก็บข้อมูลที่เสถียร เนื่องจากโครโมโซมหนึ่งในสองสามครั้งมีปฏิสัมพันธ์กันอยู่ในโครโมโซมครอสโอเวอร์ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศเมื่อมีการรวมตัวกันทางพันธุกรรมเกิดขึ้น โครโมโซมครอสโอเวอร์คือเมื่อ DNA helice สองเส้นแตก สลับส่วนแล้วกลับมารวมกันใหม่

การรวมตัวกันใหม่ทำให้โครโมโซมแลกเปลี่ยนข้อมูลทางพันธุกรรมและสร้างยีนใหม่ ๆ ซึ่งจะเพิ่มประสิทธิภาพในการคัดเลือกโดยธรรมชาติและอาจมีความสำคัญในการวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วของโปรตีนใหม่^[132]การรวมตัวใหม่ทางพันธุกรรมยังสามารถเกี่ยวข้องกับการซ่อมแซม DNA โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการตอบสนองของเซลล์ต่อการแตกของสองเส้น^[133]

รูปแบบที่พบบ่อยที่สุดของครอสโอเวอร์โครโมโซมคือการรวมตัวกันใหม่โดยที่โครโมโซมทั้งสองที่เกี่ยวข้องมีลำดับที่คล้ายกันมากการรวมตัวใหม่ที่ไม่คล้ายคลึงกันสามารถทำลายเซลล์ได้ เนื่องจากสามารถสร้างการโยกย้ายของโครโมโซมและความผิดปกติทางพันธุกรรมได้ ปฏิกิริยาการรวมตัวกันเป็นเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ที่รู้จักในฐานะrecombinasesเช่นRAD51 ^[134]ขั้นตอนแรกในการรวมตัวกันใหม่คือการแตกเป็นเกลียวสองเส้นที่เกิดจากเอ็นโดนิวคลีเอสหรือความเสียหายต่อดีเอ็นเอ^[135]ชุดของขั้นตอนที่เร่งปฏิกิริยาบางส่วนโดย recombinase จากนั้นนำไปสู่การเชื่อมของเกลียวทั้งสองด้วยทางแยกวันหยุดอย่างน้อยหนึ่งจุดโดยที่ส่วนของเกลียวเดี่ยวในแต่ละเกลียวจะถูกอบอ่อนไปยังเกลียวเสริมในเกลียวอื่น ชุมทาง Holliday เป็นโครงสร้างจัตุรมุขที่สามารถเคลื่อนไปตามคู่ของโครโมโซม สลับสายหนึ่งไปอีกเส้นหนึ่ง จากนั้นปฏิกิริยาการรวมตัวใหม่จะหยุดโดยความแตกแยกของทางแยกและการรวมตัวใหม่ของ DNA ที่ปล่อยออกมา ^[136]มีเพียงเส้นของ DNA ที่แลกเปลี่ยนขั้วเหมือนกันระหว่างการรวมตัวใหม่ ความแตกแยกมีสองประเภท: ความแตกแยกตะวันออก - ตะวันตกและความแตกแยกเหนือ - ใต้ ความแตกแยกทางเหนือ – ใต้ระบุสาย DNA ทั้งสองเส้น ในขณะที่ความแตกแยกทางทิศตะวันออก – ตะวันตกมี DNA เพียงเส้นเดียวที่ไม่บุบสลาย การก่อตัวของชุมทาง Holliday ในระหว่างการรวมตัวกันใหม่ทำให้มีความเป็นไปได้สำหรับความหลากหลายทางพันธุกรรม ยีนในการแลกเปลี่ยนโครโมโซม และการแสดงออกของจีโนมไวรัสชนิดป่า

วิวัฒนาการ

ดีเอ็นเอประกอบด้วยข้อมูลทางพันธุกรรมที่ช่วยให้สิ่งมีชีวิตทุกรูปแบบสามารถทำงาน เติบโต และสืบพันธุ์ได้ อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีความชัดเจนว่าDNA ได้ทำหน้าที่นี้มานานแค่ไหนในประวัติศาสตร์ชีวิต 4 พันล้านปีเนื่องจากมีการเสนอว่ารูปแบบแรกสุดของชีวิตอาจใช้ RNA เป็นสารพันธุกรรมของพวกมัน ^{[137] [138]}อาร์เอ็นเออาจจะทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางส่วนหนึ่งของต้นเผาผลาญของเซลล์ที่มันสามารถทั้งข้อมูลทางพันธุกรรมส่งและดำเนินการเร่งปฏิกิริยาเป็นส่วนหนึ่งของribozymes ^[139]โลกอาร์เอ็นเอโบราณที่ซึ่งกรดนิวคลีอิกจะถูกใช้สำหรับทั้งตัวเร่งปฏิกิริยาและพันธุกรรม อาจมีอิทธิพลต่อการวิวัฒนาการของรหัสพันธุกรรมปัจจุบันโดยอิงจากเบสสี่นิวคลีโอไทด์ สิ่งนี้จะเกิดขึ้น เนื่องจากจำนวนของเบสที่แตกต่างกันในสิ่งมีชีวิตนั้นเป็นการแลกเปลี่ยนระหว่างฐานจำนวนน้อยที่เพิ่มความแม่นยำในการจำลองแบบกับเบสจำนวนมากที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาของไรโบไซม์^[140]อย่างไรก็ตาม ไม่มีหลักฐานโดยตรงของระบบพันธุกรรมในสมัยโบราณ เนื่องจากการกู้คืน DNA จากฟอสซิลส่วนใหญ่เป็นไปไม่ได้เพราะ DNA ดำรงอยู่ในสิ่งแวดล้อมได้น้อยกว่าหนึ่งล้านปี และค่อยๆ สลายเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยในสารละลาย^{[141] มีการ}อ้างสิทธิ์สำหรับ DNA ที่มีอายุมากกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งรายงานการแยกแบคทีเรียที่มีชีวิตอยู่ได้จากผลึกเกลือที่มีอายุ 250 ล้านปี^[142]แต่การอ้างสิทธิ์เหล่านี้ยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่^{[143] [144]}

สร้างบล็อคของดีเอ็นเอ ( adenine , guanineและเกี่ยวข้องกับโมเลกุลของสารอินทรีย์ ) อาจจะได้รับการจัดตั้งขึ้น extraterrestrially ในพื้นที่รอบนอก ^{[145] [146] [147]}ดีเอ็นเอ Complex และอาร์เอ็นเอ สารประกอบอินทรีย์ของชีวิตรวมทั้งuracil , cytosineและมีน , ยังได้รับการสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการภายใต้เงื่อนไขที่ลอกเลียนแบบที่พบในพื้นที่รอบนอก , การใช้สารเคมีเริ่มต้นเช่นpyrimidine , พบในอุกกาบาตไพริมิดีน เช่นโพลีไซคลิกอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน(PAHs) ซึ่งเป็นสารเคมีที่อุดมด้วยคาร์บอนมากที่สุดในจักรวาลอาจก่อตัวขึ้นในดาวยักษ์แดงหรือในฝุ่นและก๊าซในอวกาศของจักรวาล ^[148]

ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2564 นักวิทยาศาสตร์รายงานเป็นครั้งแรก การจัดลำดับดีเอ็นเอจากซากสัตว์ซึ่งเป็นแมมมอธในกรณีนี้ที่มีอายุมากกว่าหนึ่งล้านปี ซึ่งเป็น DNA ที่เก่าแก่ที่สุดที่จัดลำดับมาจนถึงปัจจุบัน ^{[149] [150]}

ใช้ในเทคโนโลยี

พันธุวิศวกรรม

วิธีการได้รับการพัฒนาในการชำระล้างดีเอ็นเอจากสิ่งมีชีวิตเช่นการสกัดฟีนอลคลอโรฟอร์มและจัดการกับมันในห้องปฏิบัติการเช่นย่อยข้อ จำกัดและวิธี Polymerase chain reaction ชีววิทยาและชีวเคมีสมัยใหม่ใช้เทคนิคเหล่านี้อย่างเข้มข้นในเทคโนโลยีดีเอ็นเอลูกผสมRecombinant DNAเป็นลำดับ DNA ที่มนุษย์สร้างขึ้นซึ่งประกอบขึ้นจากลำดับ DNA อื่น พวกเขาสามารถเปลี่ยนเข้าไปในสิ่งมีชีวิตในรูปแบบของพลาสมิดหรือในรูปแบบที่เหมาะสมโดยใช้เวกเตอร์ไวรัส ^[151]การดัดแปลงพันธุกรรมสิ่งมีชีวิตที่ผลิตสามารถใช้ในการผลิตสินค้าเช่น recombinant โปรตีนที่ใช้ในการวิจัยทางการแพทย์ , ^[152]หรือปลูกได้ในการเกษตร ^{[153] [154]}

การทำโปรไฟล์ดีเอ็นเอ

นักนิติวิทยาศาสตร์สามารถใช้ดีเอ็นเอในเลือด , น้ำอสุจิ , ผิว , น้ำลายหรือผมพบในที่เกิดเหตุเพื่อแจ้งดีเอ็นเอการจับคู่ของบุคคลเช่นผู้กระทำผิด^[155]กระบวนการนี้เรียกว่าอย่างเป็นทางการดีเอ็นเอโปรไฟล์ที่เรียกว่าลายนิ้วมือดีเอ็นเอในการจัดทำโปรไฟล์ DNA เปรียบเทียบความยาวของส่วนที่แปรผันของ DNA ที่ทำซ้ำ เช่น การทำซ้ำแบบคู่ขนานสั้นและดาวเทียมขนาดเล็ก วิธีนี้มักจะเป็นเทคนิคที่น่าเชื่อถืออย่างยิ่งในการระบุ DNA ที่ตรงกัน^[16]อย่างไรก็ตาม การระบุตัวตนอาจซับซ้อนได้หากสถานที่เกิดเหตุปนเปื้อนด้วยดีเอ็นเอจากบุคคลหลายคน^[157]ดีเอ็นเอโปรไฟล์ได้รับการพัฒนาขึ้นในปี 1984 โดยผาดอังกฤษเซอร์อเล็กซ์ฟรีย์ , ^[158]และเป็นครั้งแรกที่ใช้ในทางนิติวิทยาศาสตร์ที่จะลงโทษโคลินโกยในปี 1988 การฆาตกรรม Enderbyกรณี^[159]

การพัฒนาของนิติวิทยาศาสตร์และความสามารถที่จะได้รับการจับคู่ทางพันธุกรรมกับตัวอย่างเลือด ผิวหนัง น้ำลาย หรือผมในเวลาไม่กี่นาที นำไปสู่การทบทวนหลายกรณีอีกครั้ง ขณะนี้สามารถค้นพบหลักฐานที่เป็นไปไม่ได้ทางวิทยาศาสตร์ในขณะที่ทำการทดสอบครั้งแรก เมื่อรวมกับการยกเลิกกฎหมายเสี่ยงภัยสองชั้นในบางสถานที่ อาจทำให้คดีเปิดใหม่ได้อีกครั้งในกรณีที่การพิจารณาคดีครั้งก่อนล้มเหลวในการสร้างหลักฐานเพียงพอที่จะโน้มน้าวคณะลูกขุน ผู้ถูกตั้งข้อหาก่ออาชญากรรมร้ายแรงอาจต้องจัดเตรียมตัวอย่าง DNA เพื่อวัตถุประสงค์ในการจับคู่ การป้องกันที่ชัดเจนที่สุดสำหรับการจับคู่ DNA ที่ได้รับจากการพิสูจน์ทางนิติวิทยาศาสตร์คือการอ้างว่ามีการปนเปื้อนข้ามของหลักฐาน ส่งผลให้มีขั้นตอนการจัดการที่เข้มงวดอย่างพิถีพิถันกับคดีอาชญากรรมร้ายแรงครั้งใหม่

การทำโปรไฟล์ดีเอ็นเอยังใช้อย่างประสบความสำเร็จในการระบุเหยื่อของเหตุการณ์การบาดเจ็บล้มตายจำนวนมาก^[160]ศพหรือชิ้นส่วนของร่างกายในอุบัติเหตุร้ายแรง และเหยื่อแต่ละรายในหลุมศพของสงครามมวลชน ผ่านการจับคู่กับสมาชิกในครอบครัว

การทำโปรไฟล์ดีเอ็นเอยังใช้ในการทดสอบความเป็นพ่อของ DNAเพื่อตรวจสอบว่ามีคนเป็นพ่อแม่ทางสายเลือดหรือปู่ย่าตายายของเด็กที่มีความน่าจะเป็นของการเป็นพ่อแม่โดยปกติ 99.99% เมื่อผู้ปกครองที่ถูกกล่าวหาว่ามีความเกี่ยวข้องทางชีววิทยากับเด็ก วิธีการหาลำดับดีเอ็นเอปกติเกิดขึ้นหลังคลอด แต่มีวิธีใหม่ในการทดสอบความเป็นพ่อในขณะที่แม่ยังตั้งครรภ์อยู่ ^[161]

เอ็นไซม์ DNA หรือ DNA ตัวเร่งปฏิกิริยา

Deoxyribozymesหรือที่เรียกว่า DNAzymes หรือ catalytic DNA ถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1994 ^[162]พวกมันส่วนใหญ่เป็นลำดับ DNA เกลียวเดี่ยวที่แยกได้จากสระขนาดใหญ่ของลำดับ DNA สุ่มผ่านวิธีการรวมที่เรียกว่าการคัดเลือกในหลอดทดลองหรือวิวัฒนาการอย่างเป็นระบบของลิแกนด์โดยการเสริมสมรรถนะแบบเอ็กซ์โพเนนเชียล (เซเล็กซ์). DNAzymes กระตุ้นปฏิกิริยาเคมีที่หลากหลาย รวมถึงความแตกแยกของ RNA-DNA, การแยก RNA-DNA, ฟอสโฟรีเลชั่น-ดีฟอสโฟรีเลชันของกรดอะมิโน, การก่อตัวของพันธะคาร์บอน-คาร์บอน เป็นต้น DNAzymes สามารถเพิ่มอัตราการเร่งปฏิกิริยาของปฏิกิริยาเคมีได้สูงถึง 100,000,000,000 เท่าเหนือปฏิกิริยาที่ไม่มีการเร่งปฏิกิริยา^[163]คลาส DNAzymes ที่มีการศึกษาอย่างกว้างขวางที่สุดคือประเภทการแยก RNA ซึ่งใช้ในการตรวจหาไอออนของโลหะที่แตกต่างกันและการออกแบบสารบำบัด มีรายงาน DNAzymes เฉพาะโลหะหลายชนิดรวมถึง GR-5 DNAzyme (เฉพาะตะกั่ว), ^[162] CA1-3 DNAzymes (เฉพาะทองแดง), ^[164] 39E DNAzyme (เฉพาะ Uranyl) และ NaA43 DNAzyme ( โซเดียมจำเพาะ) ^[165] NaA43 DNAzyme ซึ่งมีรายงานว่ามีโซเดียมมากกว่า 10, 000 เท่าคัดเลือกมากกว่าไอออนโลหะอื่น ๆ ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างเซ็นเซอร์โซเดียมแบบเรียลไทม์ในเซลล์

ชีวสารสนเทศศาสตร์

ชีวสารสนเทศเกี่ยวข้องกับการพัฒนาเทคนิคในการจัดเก็บขุดข้อมูลค้นหาและจัดการข้อมูลทางชีววิทยา รวมถึงข้อมูลลำดับกรดนิวคลีอิกของดีเอ็นเอเหล่านี้ได้นำไปสู่ความก้าวหน้านำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในวิทยาการคอมพิวเตอร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งขั้นตอนวิธีการค้นหาสตริง , เครื่องเรียนรู้และทฤษฎีฐานข้อมูล ^[166]การค้นหาสตริงหรืออัลกอริธึมการจับคู่ ซึ่งค้นหาการเกิดขึ้นของลำดับตัวอักษรภายในลำดับตัวอักษรที่ใหญ่กว่า ได้รับการพัฒนาเพื่อค้นหาลำดับเฉพาะของนิวคลีโอไทด์^[167]ลำดับดีเอ็นเออาจสอดคล้องกับลำดับดีเอ็นเออื่นๆ เพื่อระบุลำดับที่คล้ายคลึงกันและค้นหาการกลายพันธุ์เฉพาะที่ทำให้แตกต่างออกไป เทคนิคเหล่านี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการจัดตำแหน่งหลายลำดับถูกใช้ในการศึกษาความสัมพันธ์สายวิวัฒนาการและการทำงานของโปรตีน^[168]ชุดข้อมูลที่แสดงถึงคุณค่าของลำดับ DNA ของจีโนมทั้งหมด เช่น ชุดข้อมูลที่ผลิตโดยHuman Genome Projectนั้นยากต่อการใช้งานหากไม่มีคำอธิบายประกอบที่ระบุตำแหน่งของยีนและองค์ประกอบควบคุมในแต่ละโครโมโซม ภูมิภาคของลำดับดีเอ็นเอที่มีรูปแบบลักษณะเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับยีนเข้ารหัสโปรตีนหรืออาร์เอ็นเอสามารถระบุได้โดยอัลกอริธึมการค้นหายีนซึ่งช่วยให้นักวิจัยสามารถทำนายการมีอยู่ของยีนได้ผลิตภัณฑ์ยีนและการทำงานที่เป็นไปได้ของพวกมันในสิ่งมีชีวิต แม้กระทั่งก่อนที่พวกมันจะถูกแยกออกในการทดลอง ^[169]อาจมีการเปรียบเทียบจีโนมทั้งหมดซึ่งสามารถให้ความกระจ่างเกี่ยวกับประวัติวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตโดยเฉพาะและอนุญาตให้ตรวจสอบเหตุการณ์วิวัฒนาการที่ซับซ้อน

ดีเอ็นเอนาโนเทคโนโลยี

นาโนเทคโนโลยีดีเอ็นเอใช้คุณสมบัติการรู้จำระดับโมเลกุลที่เป็นเอกลักษณ์ของดีเอ็นเอและกรดนิวคลีอิกอื่นๆ เพื่อสร้างสารเชิงซ้อนของดีเอ็นเอที่มีกิ่งก้านประกอบขึ้นเองพร้อมคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์^[171]ดีเอ็นเอถูกใช้เป็นวัสดุโครงสร้างมากกว่าที่จะเป็นพาหะของข้อมูลทางชีววิทยา นี้ได้นำไปสู่การสร้างสองมิติโปรยเป็นระยะ ๆ (ทั้งกระเบื้องตามและการใช้ที่ดีเอ็นเอพับวิธี) โครงสร้างและสามมิติในรูปทรงของรูปทรงหลายเหลี่ยม ^[172] อุปกรณ์นาโนกลศาสตร์และการประกอบตัวเองด้วยอัลกอริธึมยังแสดงให้เห็น^[173]และโครงสร้างดีเอ็นเอเหล่านี้ถูกใช้เพื่อสร้างแม่แบบการจัดเรียงของโมเลกุลอื่นๆ เช่นอนุภาคนาโนทองคำและstreptavidinโปรตีน ^[174]

ประวัติศาสตร์และมานุษยวิทยา

เนื่องจาก DNA รวบรวมการกลายพันธุ์เมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งจากนั้นจึงสืบทอดมา มันจึงมีข้อมูลทางประวัติศาสตร์ และโดยการเปรียบเทียบลำดับ DNA นักพันธุศาสตร์สามารถอนุมานประวัติวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต หรือสายวิวัฒนาการของพวกมันได้ ^[175]ด้านการ phylogenetics นี้เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการชีววิทยาวิวัฒนาการ หากเปรียบเทียบลำดับดีเอ็นเอภายในสปีชีส์หนึ่งนักพันธุศาสตร์ประชากรสามารถเรียนรู้ประวัติของประชากรบางกลุ่มได้ นี้สามารถนำมาใช้ในการศึกษาตั้งแต่พันธุศาสตร์ของระบบนิเวศเพื่อมานุษยวิทยา

การจัดเก็บข้อมูล

ดีเอ็นเอในฐานะอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลมีศักยภาพมหาศาล เนื่องจากมีความหนาแน่นในการจัดเก็บที่สูงกว่ามากเมื่อเทียบกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อย่างไรก็ตาม ค่าใช้จ่ายสูง เวลาอ่านและเขียนช้า ( เวลาแฝงของหน่วยความจำ ) และความน่าเชื่อถือไม่เพียงพอทำให้ไม่สามารถใช้งานจริงได้ ^{[176] [177]}

ประวัติศาสตร์

ดีเอ็นเอถูกแยกออกเป็นครั้งแรกโดยแพทย์ชาวสวิสฟรีดริช มีเชอร์ซึ่งในปี พ.ศ. 2412 ได้ค้นพบสารด้วยกล้องจุลทรรศน์ในหนองของผ้าพันแผลผ่าตัดที่ถูกทิ้ง เมื่อมันอาศัยอยู่ในนิวเคลียสของเซลล์ เขาเรียกมันว่า "นิวเคลียส" ^{[178] [179]}ในปี 1878 อัลเบรท Kosselแยกองค์ประกอบที่ไม่ใช่โปรตีนของ "nuclein" กรดนิวคลีและต่อมาแยกห้าหลักnucleobases ^{[180] [181]}

ในปี ค.ศ. 1909 Phoebus Levene ได้ระบุหน่วยเบส น้ำตาล และฟอสเฟตนิวคลีโอไทด์ของอาร์เอ็นเอ (จากนั้นตั้งชื่อว่า "กรดนิวคลีอิกของยีสต์") ^{[182] [183] [184]}ในปี 1929 Levene ระบุน้ำตาลดีออกซีไรโบสใน "กรดไธมัสนิวคลีอิก" (DNA) ^[185] Levene เสนอว่า DNA ประกอบด้วยสตริงของหน่วยนิวคลีโอไทด์สี่หน่วยที่เชื่อมโยงกันผ่านกลุ่มฟอสเฟต ("สมมติฐานเตตระนิวคลีโอไทด์") เลวีนคิดว่าโซ่นั้นสั้นและโซ่ก็วนซ้ำในลำดับที่แน่นอน ในปีพ.ศ. 2470 นิโคไล โคลต์ซอฟเสนอว่าลักษณะที่สืบทอดมาจะได้รับการถ่ายทอดผ่าน "โมเลกุลพันธุกรรมขนาดยักษ์" ที่ประกอบด้วย "เส้นกระจกสองเส้นที่จะทำซ้ำในลักษณะกึ่งอนุรักษ์นิยมโดยใช้แต่ละเส้นเป็นแม่แบบ"^{[186] [187]}ในปี ค.ศ. 1928 เฟรเดอริก กริฟฟิธในการทดลองของเขาได้ค้นพบว่าลักษณะของนิวโมคอคคัสในรูปแบบที่ "ราบรื่น" สามารถถ่ายโอนไปยังรูปแบบที่ "หยาบ" ของแบคทีเรียชนิดเดียวกันได้โดยการผสมแบคทีเรียที่ "เรียบ" ที่ฆ่าแล้วกับรูปแบบที่ "หยาบ" ที่มีชีวิต^{[188] [189]}ระบบนี้ให้ข้อเสนอแนะที่ชัดเจนครั้งแรกว่า DNA นำข้อมูลทางพันธุกรรม

ในปีพ.ศ. 2476 ขณะศึกษาไข่หอยเม่นทะเลบริสุทธิ์Jean Brachetแนะนำว่า DNA ถูกพบในนิวเคลียสของเซลล์และRNAนั้นมีอยู่ในไซโตพลาสซึมเท่านั้น ในขณะนั้น คิดว่า "กรดนิวคลีอิกยีสต์" (RNA) จะเกิดขึ้นเฉพาะในพืช ในขณะที่ "กรดไทมัสนิวคลีอิก" (DNA) เกิดขึ้นในสัตว์เท่านั้น หลังถูกคิดว่าเป็น tetramer โดยมีฟังก์ชันบัฟเฟอร์ pH ของเซลล์ ^{[190] [191]}

ในปี 1937 William Astbury ได้สร้างรูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ครั้งแรกที่แสดงให้เห็นว่า DNA มีโครงสร้างปกติ ^[192]

ในปี ค.ศ. 1943 Oswald Averyพร้อมด้วยเพื่อนร่วมงานColin MacLeodและMaclyn McCartyระบุว่า DNA เป็นหลักการในการเปลี่ยนแปลงซึ่งสนับสนุนคำแนะนำของ Griffith ( การทดลอง Avery–MacLeod–McCarty ) ^[193] เออร์วินชาร์กาฟฟ์พัฒนาและเผยแพร่ข้อสังเกตนี้เป็นที่รู้จักกฎ Chargaff ของที่ระบุว่าในดีเอ็นเอจากสายพันธุ์ของสิ่งมีชีวิตใด ๆ ใด ๆ จำนวนguanineควรจะเท่ากับcytosineและปริมาณของadenineควรจะเท่ากับมีน ^{[194] [195]}ปลายปี 2494 ฟรานซิส คริกเริ่มทำงานกับเจมส์วัตสันที่ห้องปฏิบัติการ Cavendishภายในมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ บทบาทของดีเอ็นเอในการถ่ายทอดทางพันธุกรรมได้รับการยืนยันในปี 1952 เมื่ออัลเฟรดเฮอร์ชีย์และมาร์ธาเชสในการทดลองของ Hershey และ Chaseแสดงให้เห็นว่าดีเอ็นเอเป็นสารพันธุกรรมของT2 enterobacteria ทำลายจุลินทรีย์ ^[196]

ในเดือนพฤษภาคม 1952 เรย์มอนด์กอสลิง , นักศึกษาปริญญาโทที่ทำงานภายใต้การกำกับดูแลของRosalind แฟรงคลิน , เอาX-ray การเลี้ยวเบนของภาพที่มีข้อความว่า " ภาพ 51 " ^[197]ในระดับความชุ่มชื้นสูงของดีเอ็นเอ ภาพนี้มอบให้วัตสันและคริกโดยมอริซ วิลกินส์และมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการได้รับโครงสร้างดีเอ็นเอที่ถูกต้อง แฟรงคลินบอกคริกและวัตสันว่ากระดูกสันหลังต้องอยู่ข้างนอก ก่อนหน้านั้น Linus Pauling และ Watson และ Crick มีโมเดลที่ผิดพลาดโดยมีโซ่อยู่ข้างในและฐานชี้ออกไปด้านนอก การระบุกลุ่มอวกาศสำหรับคริสตัล DNA ของเธอเปิดเผยกับ Crick ว่า DNA ทั้งสองเส้นนั้นตรงกันข้ามกัน. ^(198]

ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2496 Linus PaulingและRobert Corey ได้เสนอแบบจำลองสำหรับกรดนิวคลีอิกที่มีสายโซ่พันกันสามสาย โดยมีฟอสเฟตอยู่ใกล้แกนและฐานอยู่ด้านนอก ^[199] วัตสันและคริกเสร็จรูปแบบของพวกเขาซึ่งเป็นที่ยอมรับในขณะนี้เป็นรูปแบบที่ถูกต้องครั้งแรกของคู่เกลียวของดีเอ็นเอ เมื่อวันที่ 28 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2496 คริกได้ขัดจังหวะเวลาอาหารกลางวันของผู้อุปถัมภ์ที่ผับThe Eagle ในเคมบริดจ์เพื่อประกาศว่าเขาและวัตสันได้ "ค้นพบความลับของชีวิต" ^(200]

วารสารNatureฉบับวันที่ 25 เมษายน พ.ศ. 2496 ได้ตีพิมพ์บทความ 5 บทความที่มีโครงสร้างเกลียวคู่ของวัตสันและคริก และมีหลักฐานสนับสนุน^[201]มีการรายงานโครงสร้างในจดหมายชื่อ " โครงสร้างโมเลกุลของกรดนิวคลีอิก โครงสร้างสำหรับกรดนิวคลีอิกดีออกซีไรโบส " ซึ่งพวกเขากล่าวว่า "มันไม่ได้หลุดพ้นจากการสังเกตของเราว่าการจับคู่เฉพาะที่เราตั้งสมมติฐานไว้โดยทันทีแนะนำกลไกการคัดลอกที่เป็นไปได้ สำหรับสารพันธุกรรม" ^[9]จดหมายนี้ตามด้วยจดหมายจากแฟรงคลินและกอสลิง ซึ่งเป็นการตีพิมพ์ครั้งแรกของข้อมูลการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของตนเองและวิธีการวิเคราะห์ดั้งเดิม^{[42] [22] [22]}จากนั้นตามด้วยจดหมายของวิลกินส์และเพื่อนร่วมงานอีกสองคน ซึ่งมีการวิเคราะห์รูปแบบเอ็กซ์เรย์ B-DNA ในร่างกายและสนับสนุนการมีอยู่ในร่างกายของโครงสร้างวัตสันและคริก ^[43]

ในปีพ.ศ. 2505 หลังการเสียชีวิตของแฟรงคลิน วัตสัน คริก และวิลกินส์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ร่วมกัน ^[203]รางวัลโนเบลจะมอบให้กับผู้รับที่มีชีวิตเท่านั้น การอภิปรายยังคงดำเนินต่อไปว่าใครควรได้รับเครดิตสำหรับการค้นพบนี้ ^[204]

ในการนำเสนอที่ทรงอิทธิพลในปี 1957 คริกได้วางหลักความเชื่อของอณูชีววิทยาซึ่งทำนายถึงความสัมพันธ์ระหว่าง DNA, RNA และโปรตีน และแสดง "สมมติฐานของอะแดปเตอร์" อย่างชัดเจน^[205]การยืนยันครั้งสุดท้ายของกลไกการจำลองแบบที่ส่อให้เห็นถึงโครงสร้างดับเบิลลานตามในปี 1958 ผ่านการทดสอบ Meselson-Stahl ^[206]ทำงานต่อไปโดยการบิดและเพื่อนร่วมงานแสดงให้เห็นว่ารหัสพันธุกรรมอยู่บนพื้นฐานของแฝดไม่ทับซ้อนกันของฐานที่เรียกว่าcodonsช่วยให้ฮาร์โกบินด์โครานา , โรเบิร์ตดับบลิว Holleyและมาร์แชลล์วอร์เรน Nirenbergที่จะถอดรหัสรหัสพันธุกรรม^[207]การค้นพบเหล่านี้แสดงถึงการเกิดของอณูชีววิทยา ^[208]

ดูสิ่งนี้ด้วย

อ้างอิง