DNA:n synteesin mekanismi

Tohtori Maho Yokoyama, Ph.D.Reviewed by Hannah Simmons, M.Sc.

Kopioi elämän resepti

DNA eli deoksiribonukleiinihappo (deoxyribonukleiinihappo)

DNA eli desoksiribonukleiinihappo (deoxyribonukleiinihappo)

DNA:ta eli desoxyribonukleiinihappoa, eli dna:ta, käytetään nimityksen ”DNA:ta” saamiseksi. Kun solu jakautuu kahdeksi, DNA on kopioitava, jotta molemmat solut sisältävät tarvittavan geneettisen tiedon. Synteesiä eli uusien DNA-säikeiden valmistamista elävissä soluissa kutsutaan ”DNA:n replikaatioksi”.

DNA:n replikaatio. Image Credit: Designua /

Uuden DNA-juosteen tekeminen

DNA esiintyy kaksoiskierteenä, jossa kaksi DNA-juostetta on sidottu yhteen kahdeksi kierteeksi. DNA:n replikaatioprosessi alkaa, kun kaksi DNA-juostetta erkanee toisistaan. Helikaasiksi kutsuttu entsyymi purkaa ja erottaa kahden DNA-juosteen väliset sidokset, ja nämä molemmat erotetut juosteet toimivat malleina, joista tehdään uutta DNA:ta.

DNA-polymeraasit ovat ryhmä entsyymejä, jotka valmistavat uutta DNA:ta. Mutta jotta tämä entsyymi voisi toimia, se tarvitsee alukkeen – lyhyen nukleotidisekvenssin, joka on kiinnittynyt yhteen DNA-juosteista. DNA:n replikaation aikana alukkeena on yleensä lyhyt ribonukleiinihapposekvenssi (RNA), joka myöhemmin hajoaa ja korvataan DNA:lla.

Alukkeesta muodostuu 3′-hydroksyyliryhmä, johon DNA-polymeraasi lisää DNA:n esiasteet, nukleotidit. Kun nukleotideja lisätään alukkeen tai uuden DNA-juosteen 3′-päähän, muodostuu sidos alukkeen/uusen DNA:n 3′-hydroksyyliryhmän ja nukleotidin 5′-fosfaattiryhmän välille.

DNA:n nukleotideja on neljää erilaista tyyppiä, joilla kullakin on erilaiset typpiemäkset; adeniini (A), sytosiini (C), guaniini (G) ja tymiini (T). Nämä esiintyvät aina pareittain, A-T ja C-G. Tätä kutsutaan Watson-Crick-emäspariutumiseksi, ja jos mallissa on A-nukleotidi, kasvavaan DNA-juosteeseen lisätään T-nukleotidi. Jos se on ”G”-nukleotidi, kasvavaan säikeeseen lisätään ”C”-nukleotidi.

DNA:n suuntautuneisuus ja miten se vaikuttaa DNA:n synteesiin

DNA:lla on suuntautuneisuus, toinen säie kulkee 5′:sta 3′:een ja toinen 3′:sta 5′:een. 5′-3′-juosteessa 3′-pää paljastuu uuden DNA:n synteesin aikana. Tämä tarkoittaa, että DNA-polymeraasi pystyy valmistamaan uutta DNA:ta templaatti-DNA:n suuntaan.

Mutta kun kyseessä on 3′-5′-juoste, tämä jättäisi 5′-loppu paljaaksi; miten DNA-polymeraasi suhtautuu tähän? 3′-5′-juosteeseen syntyy uutta DNA:ta, kun DNA-polymeraasi tekee lyhyitä 5′-3′-fragmentteja, joita kutsutaan Okazaki-fragmenteiksi. Sitten eri entsyymi, DNA-ligaasi, yhdistää Okazaki-fragmentit toisiinsa muodostaen uuden 3′-5′-DNA-juosteen.

Todistuslukeminen

Joskus tehdään virheitä, kun nukleotideja lisätään malli-DNA-juosteeseen. Joillakin DNA-polymeraaseilla on niin sanottu ”3′-5′ eksonukleaasiaktiivisuus”. Polymeraasi- tai synteesiaktiivisuutta vastaan toimiva 3′-5′-eksonukleaasiaktiivisuus leikkaa pois nukleotideja, jotka eivät sovi templaattiin. Näin saadaan aikaan tarkistuslukua, jotta uusi DNA-juoste olisi mahdollisimman tarkka.

Miten tätä hyödynnetään molekyylibiologiassa?

DNA-synteesin ominaisuuksia on hyödynnetty erilaisissa molekyylibiologian tekniikoissa; polymeraasiketjureaktiossa (PCR) ja DNA:n sekvensoinnissa.

Polymeraasiketjureaktio

PCR on 1980-luvulla kehitetty tekniikka, jonka avulla voidaan amplifioida DNA:n tiettyä osaa. DNA-alukkeet suunnitellaan kattamaan kiinnostava alue. Lämpöä käytetään erottamaan kaksi DNA-juostetta toisistaan, minkä jälkeen lämpötilaa lasketaan, jotta alukkeet kiinnittyvät DNA:han. Lämpöstabiili DNA-polymeraasi valmistaa sitten uusia DNA-säikeitä, jotka vastaavat kiinnostuksen kohteena olevaa aluetta, lisäämällä nukleotideja alukkeiden 3′-päähän.

DNA:n sekvensointi

DNA:n sekvensoinnilla selvitetään DNA:ssa esiintyvien emästen (A, C, G, T) järjestys. Sanger-sekvensointi on yksi varhaisista DNA-sekvensointitekniikoista, jossa DNA-synteesi pysäytetään. Tämä on mahdollista poistamalla hydroksyyliryhmä nukleotidien 3′-päästä, joten kun nämä ”dideoksinukleotidit” liitetään DNA-juosteeseen, DNA-polymeraasi ei voi lisätä seuraavaa nukleotidia. Nämä dideoksinukleotidit sekoittuvat nukleotidien kanssa, joten syntyy eripituisia fragmentteja. Kun dideoksi-A, dideoksi-C, dideoksi-G ja dideoksi-T ovat erillisissä reaktioissa, voidaan määrittää fragmentin viimeinen nukleotidi. Kun ne on erotettu toisistaan koon mukaan, DNA-sekvenssi voidaan määrittää katsomalla, mikä on fragmenttien viimeinen nukleotidi koon mukaan.

Vaikka nykyaikaiset DNA:n sekvensointimenetelmät ovat automatisoituja ja vähemmän työläitä kuin Sangerin sekvensointi, on olemassa joitakin, jotka perustuvat Sangerin sekvensointiin; esimerkiksi kuhunkin dideoksinukleotidiin voidaan lisätä erilaisia fluoresoivia väriaineita, ja erot voidaan havaita erivärisinä fluoresenssiväreinä.

Lisälukemisto

• Kaikki DNA:n sisällöt
• Mitkä on DNA?
• DNA:n ominaisuudet
• DNA:n kemialliset modifikaatiot
• DNA:n biologiset toiminnot

Kirjoittanut

Tohtori Maho Yokoyama

Tohtori Maho Yokoyama on tutkija ja tiedekirjailija. Hän väitteli tohtoriksi Bathin yliopistossa Yhdistyneessä kuningaskunnassa mikrobiologian alalta, jossa hän sovelsi funktionaalista genomiikkaa Staphylococcus aureukseen. Väitöskirjaopintojensa aikana Maho teki yhteistyötä muiden tutkijoiden kanssa useissa artikkeleissa ja jopa julkaisi joitakin omia töitään vertaisarvioiduissa tieteellisissä lehdissä. Hän myös esitteli työtään akateemisissa konferensseissa ympäri maailmaa.

Sitaatit