Kern-DNA - Nuclear DNA

Nukleare DNA (nDNA) oder nukleare Desoxyribonukleinsäure ist die DNA, die in jedem Zellkern eines eukaryontischen Organismus enthalten ist . Es kodiert für den Großteil des Genoms in Eukaryoten, während mitochondriale DNA und plastidäre DNA für den Rest kodiert. Es hält sich an die Mendelsche Vererbung , wobei die Informationen von zwei Elternteilen stammen, einem männlichen und einem weiblichen – und nicht matrilinear (durch die Mutter) wie in der mitochondrialen DNA.

Struktur

Nukleare DNA ist eine Nukleinsäure , ein polymeres Biomolekül oder Biopolymer , das im Kern eukaryontischer Zellen vorkommt. Seine Struktur ist eine Doppelhelix mit zwei umeinander gewundenen Strängen, eine Struktur, die erstmals von Francis Crick und James D. Watson (1953) anhand von Daten von Rosalind Franklin beschrieben wurde . Jeder Strang ist eine lange Polymerkette aus sich wiederholenden Nukleotiden . Jedes Nukleotid besteht aus einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen, einer Phosphatgruppe und einer organischen Base. Nukleotide werden durch ihre Basen unterschieden: Purine , große Basen, die Adenin und Guanin enthalten ; und Pyrimidine , kleine Basen , die Thymin und Cytosin umfassen . Die Regeln von Chargaff besagen, dass Adenin immer mit Thymin und Guanin immer mit Cytosin paart. Die Phosphatgruppen werden durch eine Phosphodiesterbindung zusammengehalten und die Basen werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten .

Mitochondriale DNA

Nukleare DNA und mitochondriale DNA unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht, beginnend mit Lage und Struktur. Kern-DNA befindet sich im Kern von eukaryotischen Zellen und hat normalerweise zwei Kopien pro Zelle, während sich mitochondriale DNA in den Mitochondrien befindet und 100-1000 Kopien pro Zelle enthält. Die Struktur der nuklearen DNA- Chromosomen ist linear mit offenen Enden und umfasst 46 Chromosomen und enthält zum Beispiel 3 Milliarden Nukleotide beim Menschen, während die Struktur des mitochondrialen DNA-Chromosoms normalerweise geschlossen und zirkulär ist und beim Menschen zum Beispiel 16.569 Nukleotide enthält. Die nukleare DNA ist diploid und erbt normalerweise die DNA von zwei Elternteilen, während die mitochondriale DNA haploid ist und nur von der Mutter stammt. Die Mutationsrate für nukleäre DNA beträgt weniger als 0,3%, während die von mitochondrialer DNA im Allgemeinen höher ist.

Forensik

Kern-DNA ist als Molekül des Lebens bekannt und enthält die genetischen Anweisungen für die Entwicklung aller lebenden Organismen. Es kommt in fast jeder Zelle des menschlichen Körpers vor, mit Ausnahmen wie den roten Blutkörperchen . Jeder hat einen einzigartigen genetischen Bauplan, sogar eineiige Zwillinge. Forensische Abteilungen wie das Bureau of Criminal Apprehension (BCA) und das Federal Bureau of Investigation (FBI) können Techniken mit nuklearer DNA verwenden, um Proben in einem Fall zu vergleichen. Zu den verwendeten Techniken gehört die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), die es ermöglicht, sehr kleine Mengen an DNA zu verwenden, indem Kopien von Zielregionen auf dem Molekül erstellt werden, die auch als kurze Tandem-Wiederholungen (STRs) bekannt sind.

Zellteilung

Wie Mitose , Meiose ist eine Form von eukaryotischen Zellteilung . Die Meiose führt zu vier einzigartigen Tochterzellen, von denen jede die Hälfte der Chromosomenzahl der Elternzelle hat. Da durch die Meiose Zellen entstehen, die dazu bestimmt sind, Gameten (oder Fortpflanzungszellen) zu werden, ist diese Verringerung der Chromosomenzahl entscheidend – ohne sie würde die Vereinigung von zwei Gameten während der Befruchtung zu Nachkommen mit der doppelten normalen Chromosomenzahl führen.

Meiose erzeugt in jeder der vier Tochterzellen neue Kombinationen von genetischem Material. Diese neuen Kombinationen resultieren aus dem Austausch von DNA zwischen gepaarten Chromosomen. Ein solcher Austausch führt dazu, dass die durch die Meiose produzierten Gameten oft erhebliche genetische Variationen aufweisen.

Meiose beinhaltet zwei Runden der Kernteilung, nicht nur eine. Vor der Meiose durchläuft eine Zelle eine Zwischenphase, in der sie wächst, ihre Chromosomen repliziert und alle ihre Systeme überprüft, um sicherzustellen, dass sie zur Teilung bereit ist.

Wie die Mitose hat auch die Meiose verschiedene Stadien, die Prophase , Metaphase , Anaphase und Telophase genannt werden . Ein wesentlicher Unterschied besteht jedoch darin, dass während der Meiose jede dieser Phasen zweimal auftritt – einmal während der ersten Teilungsrunde, genannt Meiose I, und erneut während der zweiten Teilungsrunde, genannt Meiose II.

Reproduzieren

Vor der Zellteilung muss das DNA-Material in der ursprünglichen Zelle dupliziert werden, damit nach der Zellteilung jede neue Zelle die volle Menge an DNA-Material enthält. Der Vorgang der DNA-Duplikation wird normalerweise als Replikation bezeichnet . Die Replikation wird als semikonservativ bezeichnet, da jede neue Zelle einen Strang der ursprünglichen DNA und einen neu synthetisierten DNA-Strang enthält. Der ursprüngliche DNA- Polynukleotidstrang dient als Matrize, um die Synthese des neuen komplementären DNA-Polynukleotids zu leiten. Die DNA-Einzelstrang-Matrize dient dazu, die Synthese eines komplementären DNA-Strangs zu steuern.

Die DNA-Replikation beginnt an einer bestimmten Stelle im DNA-Molekül, die als Replikationsursprung bezeichnet wird . Die Enzym - Helicase abwickelt und trennt einen Teil des DNA - Moleküls nach dem Einzelstrang - bindende Proteine reagieren mit und stabilisieren , um die getrennten, einzelsträngigen Abschnitten des DNA - Moleküls. Die DNA-Polymerase des Enzymkomplexes bindet den abgetrennten Teil des Moleküls und initiiert den Replikationsprozess. DNA-Polymerase kann nur neue DNA-Nukleotide mit einer bereits bestehenden Nukleotidkette verbinden. Daher beginnt die Replikation, wenn ein Enzym namens Primase einen RNA-Primer am Replikationsursprung zusammenbaut. Der RNA-Primer besteht aus einer kurzen Sequenz von RNA-Nukleotiden, die zu einem kleinen Anfangsabschnitt des DNA-Strangs komplementär sind, der für die Replikation vorbereitet wird. Die DNA-Polymerase ist dann in der Lage, dem RNA-Primer DNA-Nukleotide hinzuzufügen und damit den Prozess der Konstruktion eines neuen komplementären DNA-Strangs zu beginnen. Später wird der RNA-Primer enzymatisch entfernt und durch die entsprechende Sequenz von DNA-Nukleotiden ersetzt. Da die beiden komplementären Stränge des DNA-Moleküls in entgegengesetzte Richtungen orientiert sind und die DNA-Polymerase nur die Replikation in eine Richtung aufnehmen kann, werden zwei verschiedene Mechanismen zum Kopieren der DNA-Stränge verwendet. Ein Strang wird kontinuierlich zum Abwickeln repliziert, wobei der Teil des ursprünglichen DNA-Moleküls abgetrennt wird; während der andere Strang diskontinuierlich in die entgegengesetzte Richtung repliziert wird, wobei eine Reihe von kurzen DNA-Segmenten gebildet wird, die Okazaki-Fragmente genannt werden. Jedes Okazaki-Fragment erfordert einen separaten RNA-Primer. Wenn die Okazaki-Fragmente synthetisiert werden, werden die RNA-Primer durch DNA-Nukleotide ersetzt und die Fragmente werden in einem kontinuierlichen komplementären Strang miteinander verbunden.

DNA-Schäden und -Reparatur

Die Schädigung nukleärer DNA ist ein anhaltendes Problem, das aus einer Vielzahl von störenden endogenen und exogenen Quellen entsteht. Eukaryoten haben verschiedene DNA-Reparaturprozesse entwickelt, die nukleäre DNA-Schäden beseitigen. Diese Reparaturprozesse umfassen Basen-Exzisions-Reparatur , Nukleotid-Exzisions-Reparatur , homologe rekombinatorische Reparatur, nicht-homologe Endverbindung und Mikrohomologie-vermittelte Endverbindung . Solche Reparaturprozesse sind für die Aufrechterhaltung der nuklearen DNA-Stabilität unerlässlich. Wenn die Reparaturtätigkeit nicht mit dem Auftreten von Schäden Schritt hält, hat dies verschiedene negative Folgen. Nukleare DNA-Schäden sowie die durch solche Schäden verursachten Mutationen und epigenetischen Veränderungen gelten als eine der Hauptursachen für Krebs . Nukleare DNA-Schäden werden auch mit Alterung und neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht .

Mutation

Nukleare DNA unterliegt Mutationen . Eine Hauptursache für Mutationen ist eine ungenaue DNA-Replikation , oft durch spezialisierte DNA-Polymerasen , die vergangene DNA-Schäden im Matrizenstrang synthetisieren (fehleranfällige Trans-Läsions-Synthese ). Mutationen entstehen auch durch ungenaue DNA-Reparatur. Der Mikrohomologie-vermittelte Endverbindungsweg zur Reparatur von Doppelstrangbrüchen ist besonders anfällig für Mutationen. Mutationen, die in der Kern-DNA der Keimbahn entstehen, sind meistens neutral oder adaptiv nachteilig. Der geringe Anteil an Mutationen, die sich als vorteilhaft erweisen, liefert jedoch die genetische Variation, auf der die natürliche Selektion beruht, um neue Anpassungen zu erzeugen.