Health World Sites

Prokaryotlarda DNA ikileşmesi

2009-02-05T07:12:00.002-08:00

Prokaryotik hücrelerin DNA ikileşmesinde, ikili sarmal açılır ve sentezin başladığı yer olan ikileşme çatalı oluşur. Proteinler açılan sarmalı kararlı kılar ve ikileşme çatalının önünde oluşan sarılma gerilimini hafifletirler. Sentez, kalıp boyunca belirli bölgelerden RNA Primazın, DNA Polimeraz III'ün polimerizasyonu başlatabileceği serbest 3'-OH ucunu sağlayan kısa bir RNA parçasını sentezlemesiyle başlar. İkili sarmalın antiparalel yapısından dolayı polimeraz III, kesintili zincirde 5'-3' yönünde sürekli DNA sentezi yapar. Çatalın slounda DNA sentezi 5'-3' yönünde kesintisiz olarak devam eder. Kesintili zincir denen karşı zincirde kısa Okazaki parçaları sentezlenir ve bu parçalar daha sonra DNA ligaz ile birleştirilir. DNA Polimeraz I, RNA primerini uzaklaştırır ve yerine DNA sentezler, ortaya çıkan polinükleotidler (DNA parçaları) DNA ligaz ile birleştirilir. Böylece sentezi tamamlanan iki yeni çift dallı DNA molekülü birbirinden ayrılr ve biri atasal hücrede kalırken, diğeri oğul hücreye gider.

Replikon, oriC ve ter
Cairns, izotoplar kullanarak, otoradyografi yöntemiyle replikasyonu izlemiş ve E.Coli'de replikasyonun tek bir noktadan (orjinden) başladığını göstermiştir. Bu özgül bölgeye "oriC" denilmiştir. Bu bölgenin konumu E.Coli üzerinde haritalanmış ve 245 baz içerdiği saptanmştır. Bu konuda yapılan başka araştırmalarda da, replikasyonun iki yönlü olduğu ve oriC'nin her iki yönünde hareket ettiği gösterilmiştir. Bu durumda replikasyon ilerledikçe ayrı yönlere doğru birbirinden uzaklaşan iki replikasyon çatalı oluşturur. Bu çatallar tüm kromozom yarı-saklı eşleştikten sonra, "ter" olarak adlandırılan sonlanma bölgesinde birbiriyle birleşir. Bir orjinden replikasyon başladıktan sonra eşleşen DNA'nın uzunluğunun bir birim olduğunu belirten terim "replikon"dur. Buna göre, bakteriyofaj ve bakterilerde DNA sentezi bir noktadan (oriC), başlayıp bir noktada (ter) biter. Bakteriler, tek ve büyük bir kromozoma sahip oldukları için, kromozomun tümü bir "replikon"dur.

DNA Polimeraz I, II ve III
Replikasyonun yarı-saklı ve iki yönlü olduğu anlaşıldıktan sonra, birçok moleküler çalışma DNA kalıbı üzerinden tamamlayıcı uzun polinükleotit zincirlerinin gerçek sentezinin nasıl olduğunu anlamaya yönelmiştir. Bu çalışmalarda kullanılan mikroorganizmalarda, sentezde gerekli olan, DNA Polimeraz I, II ve III olarak bilinen enzimlerin varlığı görülmüştür.

DNA ikileşmesinde yer alan birçok molekülü etkileyen pekçok mutant bakteri ve faj genlerinin izole edilmesi, tüm ikileşme işleminin karmaşık genetik kontrolünün aydınlanmasına yardımcı olmuştur.

Ökaryotlarda DNA ikileşmesi

2009-02-05T07:12:00.001-08:00

Ökaryotlarda DNA ikileşmesi, oldukça karmaşık bir işlem olup, DNA sentezindeki bazı faktörlerin nasıl işlediği hala tam olarak çözümlenememiştir.

Ökaryotik hücrelerin de DNA sentezi prokaryotlardakine benzer ancak daha karmaşıktır. Her iki sistemde de DNA ikili sarmalı "replikasyon orjini"nden açılarak iki "ikileşme çatalı" meydana gelir. DNA polimerazın yönlendirdiği sentez, kesintisiz zincirde ve kesintili zincirde çift yönlü olarak devam eder.

Prokaryotlardan en önemli fark olarak, ökaryotlada birçok "replikasyon orjini" ve sentezi yönlendiren daha farklı DNA Polimerazlar bulunmasıdır. Bunun nedenleri şöyle açıklanır:

1. Ökaryotlarda, prokaryotlara göre daha fazla gen vardır.
2. Ökaryotik polimerazın saniyede 50 nükleotit olan okuma hızı, prokaryotik polimeraza göre 20 kat yavaştır.

J.H. Taylor, P.Woods ve W.Hughes; 1957'de ökaryotlarda da replikasyonun yarı-saklı olduğunu gösteren kanıtı sunmuşlardır. Vicia faba (bakla) bitkisinin kök uçlarıyla yaptıkları deneyde DNA'yı 3H-timidin ile işaretleyip, otoradyografisini çekmişler ve replikasyonu izlemeyi başarmışlardır. Buradaki replikasyonun da yarı-saklı olduğunu kanıtlamışlardır.

Çoklu replikasyon orjini ile ilk bulguların çoğu bir maya olan Saccharomyces cerevisiae'den elde edilmiştir. Mayadan elde edilen bu repliksyon orjinlerine "özerk replike olan diziler" (ARS) denir. Hücre döngüsünün G1 fazı sırasında bütün ARS dizilerine bazı protein grupları bağlanır ve "orjin tanıma kompleksi" (ORC) meydana gelir. Bu tanıma kompleksleri G1 fazında oluştuğu ve S fazından önce sentez başlamadığı için, sentezin gerçek başlama sinyalinde yer alan daha başka pronteinler de bulunmaktadır. Bu proteinlerin en önemlileri özgül kinazlardır. Kinazlar, hücre döngüsünün ayrılmaz bir parçası olan fosforilasyonun kilit enzimleridir. Kinazlar, ORC'ye bağlandıklarında, DNA polimerazın bağlanmasına açık olan bir "ön tanıma kompleksi" (pre-RC) oluşur. pre-RC'ye bağlanacak DNA polimerazlar, ökaryotik replikasyonun en karmaşık yönüdür. Buna göre, 6 farklı tipte DNA polimeraz formu saflaştırılıp, çalışılmıştır:

* Polimeraz α (alfa), β (beta), γ (gamma), δ (delta), ε (epsilon) ve ζ (zeta) (bkz. DNA polimeraz)

Ökaryotlarda doğrusal kromozom uçlarının (telomerler) replikasyonda ortaya çıkan özel sorun, RNA içeren özgün bir enzim olan telomeraz enzimiyle çözülür.

Genetik moleküller arasındaki rekombinasyon, DNA zincirlerini kesen, tekrar sıraya koyan ve tekrar birleştiren bir dizi enzim varlığına dayanır. Gen dönüşümü olayı, bu değiş-tokuşlar sırasında yanlış eşleşme onarımı ile gerçekleştirilen sentez ile en iyi şekilde açıklanabilir.

DNA yanlış eşleşme tamiri

2009-02-05T07:11:00.000-08:00

DNA Yanlış Eşleşme Tamiri, (DNA Missmach Repair) , DNA tamir mekanizmalarından birisidir.

DNA polimeraz, replikasyon sırasında hata okuma (proofreading) yeteneğine sahiptir. DNA yanlış eşleşme tamiri, hata okuma sonrası bile kalan yanlış eşleşmeleri tamir eden mekanizmadır.

Replikasyondan çok kısa bir süre sonra DNA zincirinin GATC sekanslarındaki tüm adeninler metillenir (dam metilaz). Geçici bir süre metillenmemiş olan yeni sentezlenmiş zincir MER enzim kompleksi tarafından tanınır ve bağlanma gerçekleşir (mut H GATC sekansını tanır). mut S-mut L protein kompleksi yanlış eşleşmenin olduğu bölgeye bağlanır. mut H, yeni DNA zincirinde yanlış eşleşmeyi içine alacak şekilde tek zincir kesişi yapar (endonükleaz aktivite). DNA helikaz kesilen parçayı uzaklaştırır. Tüm ökaryotik hücreler MER için yapısal ve fonksiyonel olarak benzer proteinlere sahiptirler. MER sistemindeki proteinleri kodlayan genlerde olan mutasyonlar ile herediter non-polipozis kolon kanseri (HNPCC) arasında ilişki bulunmuştur.
dna-sites.blogspot.com

Akış aşağı ve akış yukarı (DNA)

2009-02-05T07:10:00.003-08:00

Moleküler biyolojide akış yukarı ve akış aşağı terimleri DNA veya RNA'da relatif konum belirtmek için kullanılan terimlerdir. Her DNA veya RNA iplikçiğinin bir 5' ucu ve bir 3' ucu vardır, bunlar riboz veya deoksiriboz halkasındaki karbonların numaralarıyla ilişkilidir. Nükleik asit iplikçiğinde söz konusu konuma göreli olarak, "akış aşağı" iplikçiğin 3' ucu tarafıdır. DNA iplikçikleri birbirlerine ters doğrultuda oldukları için bir iplikçiğin akış aşağısı öbür iplikçiğin akışyukarısıdır.
dna-sites.blogspot.com

DNA adduct

2009-02-05T07:10:00.001-08:00

Bir DNA adduct kansere neden olan kimyasala kovalent olarak bağlanmış DNA parçasıdır. Bu kanserli hücrenin veya kanserojenezisin başlangıcı olarak kabul edilir. DNA adduct'ları bilimsel deneylerde bio-marker olarak kullanılmaktadır ve karşılaştırma için nicel olarak durumu ve kanserin miktarını yansıtırlar. Deneysel koşullarda çalışmak için, DNA adduct'ları DMBA ve kimsayal olarak yapılandırılmış ve 7,12-Dimethyl-benz[a] Anthracene olarak adlandırılmış, karsinojenler genellikle kullanılmaktadır. Örneğin, bir bilimsel makalede "DMBA - DNA adduct" 'ın karşılığı bir DNA parçasının DMBA ile baglanmasıdır. bu tip bir bağın varlığı konu olan hayvanda kanser varlığının berlirtisidir.

DNA Mikroçip

2009-02-05T07:09:00.000-08:00

DNA Mikroçip (ing: DNA Microarray) 'DNA çip', `gen çip`, `genom çip`, veya gen-dizi olarak da bilinen, genellikle herbiri bir geni temsil eden, ayrı ayrı küçük katı yüzeye kovalent bağlarla sabitlenmiş binlerce DNA parçacıkları toplusudur.

DNA mikroçipleri diğer biyolojik mikroçiplerden (örneğin protein veya antikor mikroçipi) tek farkı DNA'yı ölçmesi veya algılama sisteminin bir parçasını DNAnın oluşturmasıdır. Nicel veya nitel ölçümler zorlayıcı şartlar (ing: high-stringency) altında seçici DNA-DNA veya DNA-RNA etkileşimi ve florofor tabanlı algılama esaslarına dayanmaktadır. DNA mikroçip teknolojisi çoğunlukla gen ifadesi profilini çıkarmada, yani aynı anda çok sayıda genin ifade (ing: expression) düzeyinin gözlemlenmesinde veya karşılaştırmalı genomik hibridizasyon çalışmalarında kullanılmaktadır.

İkili Sarmal: DNA Yapı Çözümünün Öyküsü

2009-02-05T07:08:00.000-08:00

İkili Sarmal : DNA Yapı Çözümünün Öyküsü James D. Watson'ın bu kitabının adı, kulağa mikrobiyolojiyle yakından ilgili olmayanların anlayamayacağı kadar karmaşık bir konu izlenimini verse de, yazar, DNA'nın ikili sarmal yapısını ve kendilerini bu buluşa taşıyan olayları, oldukça basit ve yalın bir dille okurlarına aktarmıştır.

Z-DNA

2009-02-05T07:07:00.000-08:00

Z-DNA, çift sarmal DNA'nın olası modellerinden biridir. B-DNA'ya benzer zigzag şeklinde yerleşim gösterir ancak, sol el ikili sarmal yapısındadır. Sarmalın çapı 18 Å'dur. Her bir tam dönüşünde 12 baz çifti yer alır. Büyük oluk kaybolmuş gibi görünür.
dna-sites.blogspot.com

DNA-DNA hibridizasyon

2009-02-05T07:05:00.000-08:00

DNA-DNA hibridizasyon, genellikle moleküler biyolojide DNA havuzlarındaki sıraların genetik olarak benzerliklerini ölçmek için kullanılan bir tekniktir.
Genellikle, iki tür arasındaki genetik uzaklığın bulunmasında kullanılır. Ne zaman birkaç tür bu yolla kıyaslansa, benzerlik değerleriyle filogenetik ağaçta yer almalarına izin verir, moleküler sistematikten daha doğru olan bir yöntem günümüzde görülmemektedir.

Charles Sibley ve Jon Alqhuist, tekniğin yapımcıları, DNA-DNA hibridizasyonunu, kuşlar ve primatlar arasındaki filogenetik akrabalıkları sınıflandırmada kullanmışlardır.[1][2]

Eleştirmenler, tekniğin yakın türlerin akrabalık kıyaslamalarında tam olarak doğru işleyemediğini, doğru dizilerin sıraları arasındaki farklılıkların, bir canlının genomuyla yapılan mantıksız sıralarla, hibridizasyon tarafından baskılandığını savunmuşlardır.[3] DNA sıraları ve dizilerin kıyaslanması, artık günümüzde mikrobiyolojide bakterilerin tanımlanmasında bile kullanılan bir tekniktir.[4]
Yöntem;
Yöntem, Sibley ve Ahlquist tarafından geliştirilmiş, örneğin eritilip, tekrar kendini eşlemesi ve bu şekilde çoğaltımı sağlayan bir tekniktir.[5] Yöntemde, iki türün DNA'sı çıkarılır, parçalar küçük baz çiftlerine kesilir, arındırılır sonra kıyaslanabilir. İşaretlenmiş canlı DNA'sı, karıştırılıp, karşısına gelen işaretlenmemiş DNA ile eşleştirilir. Karışımın inkübasyonu, DNA zincirlerinin ayrılıp tekrar birleşmelerine ve hibrit çift zincirli DNA moleküllerinin oluşmasına olanak tanır.

Birbirlerine yüksek oranda benzeyen hibrit sıralar, daha kuvvetli bağlanırlar ve onları ayırmak için daha çok enerjiye gerek duyulur, örneğin; farklı zincirler yüksek sıcaklıklarda ısıtıldıkları zaman, "DNA erimesi" olarak bilinir ve ayrılırlar.

Hibrit DNA'nın profilinin anlanması için, çift incirli DNA diziler ve karışım küçük adımlarla ısıtılır. Her adımda artıklar yıkanır, eritilen diziler tek zincirli ve artıklarından arınmış hale gelir. Sonuçlar, canlılar arasıdanki benzerliklerin anlaşılmasında kullanılır.
dna-sites.blogspot.com

DNA polimeraz

2009-02-05T07:04:00.001-08:00

Bir DNA polimeraz DNA ikileşmesini sağlayan bir enzimdir. Bu enzimler bir DNA iplikçiğini kalıp olarak kullanır, onu okuyup, onun boyunca deoksiribonükleotitlerin polimerizasyonunu katalizler. Yeni polimerleşmiş molekül kalıp iplikçiği tamamlayıcıdır, ve kalıp iplikçiğin eski eşi ile aynı yapıya sahiptir.

DNA polimeraz bir holoenzim olarak sayılır çünkü doğru işlev verebilmek için bir magnezyum iyonuna gerek duyar. Magnezyum iyonunun yokluğunda ona apoenzim olarak değinilir.

DNA polimeraz tek iplikçikli bir DNA'ya bağlanarak DNA ikileşmesini başlatır. RNA polimerazdan farklı olarak, DNA polimeraz sentezlediği yeni iplikçiği sadece nükleotitlerden başlayarak uzatamaz, ancak mevcut bir DNA zincirini uzatabilir. Bu yüzden zincir sentezinin başı için yardımcı enzimlere gerek duyar. DNA polimerazların bazı türleri hatalı ekledikleri nükleotitleri farkedip onları tamir etmelerini sağlayan bir eksonükleaz yeteneğine sahiptir.
dna-sites.blogspot.com

DNA tamiri

2009-02-05T07:03:00.003-08:00

DNA tamiri, DNA moleküllerindeki hataları onarım mekanzimalarını tanımlamak için kullanılan bir terimdir.

Bir canlıya ait tüm genetik bilgiyi taşıyan DNA molekülü doğal olarak veya çevresel faktörlerin etkisiyle sürekli hasara maruz kalmaktadır. İnsan hücrelerinde metabolik aktiviteler ve çevresel faktörler (UV ışığı gibi) sonucu günde 1 milyon hücrenin zarar görmesi olasıdır. Bu etkenler, DNA'nın yapısını ve dahası diğer nesillere aktarılan genetik bilgiyi değiştirebilirler. Bu değişimler yararlı olabileceği gibi, ölümcül sonuçalara nede olabilecek kadar zararlı da olabilirler. Bu yüzden, bütün canlı hücreleri, evrim süreçleri boyunca nesillere değişmeden aktarılması gereken DNA molekülünü koruma mekanizmaları geliştirmişlerdir.

Küçük hasarlar çoğunlukla DNA onarım sistemleri tarafından onarılır. Yüksek düzeydeki hasarlar apoptozisi uyararak "hücre ölümüne" yol açar. Böylelikle organizma kendini korumuş olur. Orta derecedeki hasarların birikimi ise mutasyonlara neden olur.
DNA tamir mekanizmalarından, DNA ligaz enzimi renkli olarak gösterilmiş.

Hücre tüm bu DNA hasarlarına farklı metabolik yollar ile cevap verir. Ağır DNA hasarları hücrenin apoptozis yolunu aktive ederek hücreyi ölüme götürür. Hücre, DNA hasarlarını "DNA tamir mekanizmaları" ile tamir edebilir. DNA hasarı ikileşme sırasında tamir edilemezse mutasyona ve sonuç olarak genomik kararsızlığa, kanser ve yaşlanmaya neden olur.

DNA tamir sisteminde 100’den fazla gen rol oynar ve bu genlerin kodladığı proteinler tamir mekanizmalarında görev alırlar. Her bir insan hücresinin DNA'sında günde yaklaşık olarak 104 adet kodlanmayan veya yanlış kodlamaya neden olan hasar meydana gelmektedir. Mitokondrial DNA'da nokta mutasyonlarının birikiminin yaşa bağlı olarak arttığı, bu nedenle özellikle mitokondrideki oksidalif DNA hasarının yaşlanma ile ilişkili olduğu düşünülmektedir. DNA tamir mekanizmaları genomik kararlılığın devamını sağlayan sistemlerdir.
dna-sites.blogspot.com

DNA bilgisayarları

2009-02-05T07:03:00.001-08:00

DNA bilgisayarı, geleneksel silikon yapı bileşenleri yerine DNA ve moleküler biyoloji teknolojilerinden yararlanan yeni nesil bilgisayarlardır. Hacmi sadece 1 cm³ olan 1 gram DNA, 750 terabayt bilgi barındırabilir.
Nörofizyologlar beynin gizemli mekanizmasını keşfedebilmek için ilk önce yaşamsal fonksiyonlarını nasıl yerine getirebildiğini çözebilmeyi hedeflediler. Algıların yanı sıra, öğrenme ve fonksiyonların gerçekleştiği beynin hippocampus bölgesinin bir protezinin yapılması hedeflendi.

1996’da biyomedikal mühendis Theodore W. Berger, hippocampusun aktivitesini üretebilen, özel olarak tasarlanmış bir DNA çipi üretti. Şimdi ise mikroelektrodlarla bu çipi beyin hücrelerine (neuron) bağlamayı hedefliyor. Berger, kendi kara kutusunu inşa ederek beyni kopya edebilmek ve hippocampusun her algısı karşılığında ürettiği cevabın kusursuz olarak aynısını üretebilmeye çalışıyor. Hippocampusun özel bir bölgesi olan ‘dentate gyrus’ dokusunun taklidi bu yolla yapılmış bulunuyor. Böylece beynin her bölümünün fonksiyonlarını yerine getirebilecek çiplerin yapılabileceği de kanıtlanmış oluyor. Bu yaklaşımı kullanarak gerçek nöronları ve gerçek beyin sistemlerini kurabilmeyi amaçlayan Berger’in ümidi sadece belleği ve öğrenmeyi değil, hareketi ve algıları yöneten beyin bölgelerini de çözümleyebilmek.

1997’de CALTECH’te bir araştırma grubunun sonuçlanan araştırmalarının açıklanmasıyla, geliştirilen neurochip metodunun canlı beyin hücrelerine bağlanması başarıldı. Ayrıştırılan hippocampus hücresinin, yine in vitro olarak neurochipin bulunduğu ortama yerleştirilmesiyle ve beslenmesi için gerekli ortamın sağlanmasıyla, hücre dendritler ve akson geliştirdiğinde hemen yanındaki hücrenin akson ve dendirtleriyle elektrik bağlantısı kurup bilgi iletimini kurar. Bu gelişme neural networkler üzerine yapılan araştırmalarda çok önemli bir adımı belgeliyor.

1994 yılında ortaya konulan DNAya dayanan bilgisayar kavramı kombinasyon temelli problemlerin çözümünü hedefliyor. Yaşamın temel taşı olan ve en basitten en karmaşığına bütün canlıların fonksiyonlarını kodlayan DNA molekülünün basit ve kararlı yapısı, karmaşık matematik problemlerinin çözümü olarak önerilmiş. DNA bilgisayarları ‘Hamiltonian Path Problem’ olarak adlandırılan ve DNAnın yapısını kullanarak çözüm üreten bir sistem. Kombinasyon temelli problemleri seri olarak çözmeye çalışan geleneksel bir bilgisayarın masif paralel olan DNA bilgisayarının hızına erişmesi asla mümkün olamaz. DNA bilgisayarlarının çok daha az enerji gerektirdiğini ve daha da önemlisi 1000 litre suyun, şimdiye kadar üretilmiş normal bilgisayar hafızalarından daha fazla bilgi tutabileceği ya da 1 kilogran DNA’nın bilişim kapasitesinin şimdiye kadar üretilmiş bilgisayarlardan daha fazla olduğunu göz önünde bulundurursak, bu sistemin kapasitesini anlayabiliriz.

DNA dizileme

2009-02-05T07:01:00.000-08:00

DNA dizi analizi gen yapısı ve genetik kontrol mekanizmaları hakkında birçok bilgi edinmemizi sağlamıştır. 1940’larda DNA baz kompozisyonu saptama yöntemleri bulunmasına karşın DNA’daki nükleotid dizilişlerinin doğrudan kimyasal analizi 1960’larda geliştirilip kullanılmaya başlanmıştır. İlk yöntemler, proteinlerdeki amino asit dizisinin saptanmasında kullanılanlara dayanıyordu. Bunlar zor ve zaman alıcı yöntemlerdi. Örneğin, 1965’te Robert Holley, 75 nükleotidlik bir tRNA molekülünün dizisini bir yıllık bir çalışma sonucu saptayabilmişti.

1970’lerde daha etkin ve doğrudan nükleotid dizi analizine yönelik yöntemler geliştirilmeye başlanmıştır. Herhangi bir organizmadan çok miktarda saf DNA fragmanları elde edilmesini sağlayan rekombinant DNA tekniklerinin gelişmesine paralel olarak dizi analizi yöntemleri de geliştirilmeye başlanmıştır. Allan Maxam ve Walter Gilbert’in kimyasal yöntemi DNA’nın belirli bazlardan kırılmasına dayanmaktadır. Fred Sanger ve arkadaşlarının geliştirdiği ikinci yöntemde ise belirli bir bazda sonlanan bir DNA zinciri sentezi gerçekleştirilmektedir. Bu yönteme dideoksinükleotit yöntemi de denmektedir.

Walter Gilbert ve Frederick Sanger DNA dizi analizi üzerine yaptıkları çalışmalardan dolayı 1980 yılında kimya alanında Nobel ödülü kazanmışlardır

Her iki yöntemde de dizisi saptanacak DNA’ya dört ayrı reaksiyon uygulanmaktadır ( her baz için bir tane ). Bu dört reaksiyonun ürünleri, bir nükleotid uzunluğu kadar farklı, bir dizi DNA parçacıklarıdır. Dört reaksiyonun ürünleri bir jelde dört ayrı kuyucukta yan yana elektroforez ile ayrıştırılmaktadır. Jel hattındaki her bir bant belirli bir baza karşılık gelmektedir ve jeldeki bantlardan DNA parçacığının dizisi okunabilmektedir.

Maxam-Gilbert yönteminde, dizisi saptanacak DNA parçacığının komplementer zincirleri ayrılıp, 5’- ucundan, polinükleotid kinaz enzimi kullanılarak radyoaktif 32P ile işaretlenir. Bu işaret, elektroforez sonrası belirli bir DNA parçacığının tanınmasını sağlamaktadır. İkinci adımda ise, dört ayrı tüpteki DNA örneğine, zinciri belirli nükleotidlerden kıran dört ayrı kimyasal reaksiyon uygulanır. Reaksiyon için kısıtlı bir süre verilerek her tüpe farklı pozisyonlardaki hedef nükleotidlerden kırılmış moleküller elde edilir. Sonuçta, kırıldığı noktaya göre, hepsi 5’- ucundan işaretli ancak boyları farklı bir dizi parçacık elde edilir.

DNA’nın kırıldığı dört farklı reaksiyonda, guaninden (G>A), adeninden (A>G), yalnız sitozinden (C) ya da sitozin ve timinden (C+T) kırılma olur. Bu reaksiyonlarda, purinlerin kırılmasında dimetilsülfat kimyasalı kullanılır. Nu reaktif, adenine göre guanini daha etkin olarak metiller ve ısı uygulandığında zincir metillenmiş bölgeden kırılır. Bu durumda daha çok guaninden zincir kırılması gerçekleşir (G>A). Asit ortamında ise bunun aksine adeninden kırılan zincirler daha fazladır (A>G). Pirimidinlerin kırılma reaksiyonlarında hidrazin kullanılır. Hidrazin DNA’yı hem sitozin hem de timinden kırar. Ancak yüksek tuz derişiminde (2M NaCl) yalnız sitozin reaksiyona girer. Böylece iki reaksiyondan biri sitozini (C) diğeri sitozin ve timini (C+T) belirlemektedir.

Dört reaksiyon setinden elde edilen parçacıklara elektroforez uygulanarak jel üzerinde yan yana yürümeleri sağlanır. Reaksiyonların her biri hedef bazdan kırılmış ancak farlı uzunluklarda parçacıklar içermektedir. Uygulana elektriksel alanın etkisi ile farklı uzunluklardaki parçacıklar jelde en kısası önde gitmek üzere yol alır. DNA parçacıklarının5’- ucu radyoaktif işaretli olduğu için, elektroforez sonrası jelin üzerine röntgen filmi konulup gerekli süre bekletilerek otoradyografi yapılır. Görüntülenen bantlar aşağıdan yukarıya doğru okunur.

Enzimatik DNA sentezine dayanan Sanger’in DNA dizi analizi yönteminde, dizisi saptanacak olan DNA zinciri için kalıp olarak kullanılır. Sentez reaksiyonu DNA polimeraz 1 ile kataliz edilir. Yöntemde, kimyasal değişikliğe uğratılmış (modifiye) dideoksinükleotid trifosfatlar kullanılarak bir dizi DNA parçacıkları elde edilir. Dideoksinükleotid trifosfatlarda 3’- OH gurubu bulunmaz. Bu durumda, molekül yeni sentezlene DNA’ya katılır ancak 3’-OH gurubu taşımadığı için kendisine nükleotid ilave edilemez ve zincir sentezi sonlanarak bir DNA parçacığı elde edilir. Deneyde, dört reaksiyon karışımı hazırlanır. Her bir reaksiyon karışımı kalıp DNA zinciri, bir primer, radyoaktif nükleozit trifosfatların dördü ve az miktarda dideoksiribonükleozit trifosfatlardan sadece birini içerir. Zincir sonlanması için dört reaksiyon tüpünde farklı bir dideosiribonükleozit trifosfat bulunur. Reaksiyonların her birinde çok az miktarda modifiye nükleozit kullanıldığı için yeni zincir sentezi rastgele sonlanarak, bir dizi DNA parçacığı meydana getirir.

Sentez sonrası, dört reaksiyondan elde edilen radyoaktif DNA parçacıklarıelektroforez jelinde yan yana dört ayrı kuyucukta yürütülür. DNA bantları otoradyografi görüntülenir ve ve Maxam-Gilbert yönteminde olduğu gibi jel aşağıdan yukarı doğru okunarak nükleotid dizisi saptanır.

DNA dizi analizi ile birçok organizmanın genlerinin yapısı ve organizasyonu hakkında önemli bilgiler elde edilmiştir. Virüslerin tüm genomları, E. coli ve maya gibi birçok organizmanın genomları aydınlatılmıştır.

dna-sites.blogspot.com

Rekombinant DNA teknolojisi

2009-02-05T06:59:00.001-08:00

Rekombinant DNA teknolojisi, doğada kendiliğinden oluşması mümkün olmayan, çoğunlukla farklı biyolojik türlerden elde edilen DNA moleküllerinin, genetik mühendislik teknolojisiyle kesilmesine ve elde edilen farklı DNA parçalarının birleştirilmesi işlemlerini kapsayan bir teknolojidir. Rekombinant DNA ise; bu işlem sonucu üretilmiş olan yeni DNA molekülüne verilen isimdir ve kısaca rDNA olarak yazılır.

Bu alanda yapılan işlemler, kısaca genlerin herhangi bir organizmadan alınarak üretilmesi (klonlama) ve üretilen genlerin gerek temel, gerekse uygulamalı araştırmalar için kullanıması olarak özetlenebilir. Bu teknoloji bugün temel bilimler, tıp, endüstri, hayvancılık, ziraat, çevre mühendisliği gibi alanlarda yaygın bir biçimde kullanılmaya başlamıştır.
dna-sites.blogspot.com

A-DNA

2009-02-05T06:57:00.000-08:00

A-DNA, çift sarmal DNA'nın olası modellerinden biridir. Sağ el sarmal yapsında ve en çok bilinen DNA formu olan B-DNA yapısına oldukça benzerdir, fakat sarmal yapısı daha sıkıdır.

DNA'nın su miktarının azaldığı (dehidrasyon) durumlarda ya da yüksek tuz koşullarındaki halidir. Çapı 23 Å'dır ve tam bir dönüşünde 11 baz çifti vardır. Bazlar sarmalın eksenine eğik ve yatay olarak yerleşmişlerdir. Büyük ve küçük oluğun görünümü B-DNA'dan farklıdır. Normal biyolojik koşullarda bulunmaz.
dna-sites.blogspot.com

DNA ikileşmesi

2009-02-05T06:53:00.000-08:00

DNA ikileşmesi, Replikasyon, DNA çoğalması ya da DNA sentezi, hücre bölünmesi öncesinde çift sarmallı DNA'nın kendini kopyalanması işlemidir.

Günümüzde yapılan araştırmalar sonucu, aynı tip hücrelerde DNA'nın kimyasal özelliğinin ve toplam mktarının nesilden nesile değişmeden aktarıldığı bilinmektedir. Buna göre DNA'nın tüm özellikleri aynı ata hücreden gelen benzer hücrelerde aynı kalmak zorundadır. Bu yüzden ister prokaryotik ister ökaryotik olsun her bir hücre mitoz bölünmeye hazırlanırken, DNA'lar kural olarak tüm uzunlukları boyunca bir ucundan diğer ucuna doğru kendilerini ikiler.

Watson ve Crick'in 1953'de yayımladıkları makaleleri, ikili sarmalın nasıl kendini eşleyeceği konusunda fikir vermektedir. "Yarı-saklı (semikonservatif) çoğaltma" olarak bilinen bu modelin geçerliliği o zamandan buyana değişmemiştir.

Çoğalmanın genel tarzı açıklık kazandıktan sonra araştırmalar, DNA sentezinin tüm ayrıntıları üzerine yoğunluk kazanmıştır. Günümüzde bilinen, DNA'nın kendini eşlemesi için sayısız enzim ve birçok proteine gerek duyduğudur. Sentez sırasındaki olayların karmaşıklığı bu araştırma alanının son derece aktif kalmasını sağlamıştır.
dna-sites.blogspot.com

DNA hakkında bilgi

2009-02-05T06:49:00.000-08:00

DNA Alm. Deutscher Normenausschuss, Fr. Acide desoxyribonucleique, İng. Desoxyribonucleic asid. Kalıtımda rol oynayan organik bir molekül. Bir nükleik asit çeşidi. “Deoksiribo nükleik asit” adını alır. Kısaca “DNA” olarak gösterilir. Canlılarda yönetici bir moleküldür. Hücrenin protein ve enzim sentezinde rol oynar. Ayrıca yeni bir hücre meydana getirecek gerekli elemanları taşıdığından hücre bölünmesinin esasını teşkil eder. İlk defa A.F.Mıescwer adl
DNA Alm. Deutscher Normenausschuss, Fr. Acide desoxyribonucleique, İng. Desoxyribonucleic asid. Kalıtımda rol oynayan organik bir molekül. Bir nükleik asit çeşidi. “Deoksiribo nükleik asit” adını alır. Kısaca “DNA” olarak gösterilir. Canlılarda yönetici bir moleküldür. Hücrenin protein ve enzim sentezinde rol oynar. Ayrıca yeni bir hücre meydana getirecek gerekli elemanları taşıdığından hücre bölünmesinin esasını teşkil eder.

İlk defa A.F.Mıescwer adlı bir araştırıcı 19. yüzyılın sonlarında hücre çekirdeğini incelerken bu maddeleri fark etmiştir.

Ökaryotik hücrelerde DNA başlıca çekirdekte bulunmakla beraber az olarak mitokondri ve kloroplastlarda da vardır. Hücre çekirdeğinde bulunan kromatin, DNA ve buna bağlı proteinlerden yapılmıştır.

1953 senesinde Watson ve Crick adlı araştırıcılar hazırladıkları modeller üzerine DNA yapısını açıklamaya çalışmışlardır. Buna göre; DNA teorik olarak sonsuz uzunlukta ve birbirine sarmal olarak dolanmış yanyana iki molekül zinciridir. Bu, hayali bir eksene sarılı bir ip merdivenine benzetilebilir. Merdivenin kenarları bir şeker molekülü (deoksiriboz) ile fosforlu bir molekülden meydana gelir. Merdiven basamaklarının arasında gevşek hidrojen bağlarıyla birbirini çeken pürin ve pirimidin denilen azotlu bazlar bulunur. Bu basamaklar merdivenin kenarındaki şeker moleküllerine bağlıdır.

DNA’daki azotlu bazlar iki gruptur: Pürin bazları adenin ve guanin; pirimidin bazları ise sitozin ve timindir. Bunların molekül durumları şöyledir ki, bir adenin ancak bir timinle ve bir sitozin ancak bir guaninle birleşebilir. Bunlar pratikte baş harfleri ile gösterilir. Bu duruma göre her kademede ancak 4 çift baz bulunabilir. A-T, T-A, G-S, S-G. Her DNA molekülünde; adenin (A) molekül sayısı, timin (T) molekül sayısına eşittir ve ancak birbirleriyle karşılıklı bağ yapabilirler. Birbiriyle oranları 1’dir (A/T=1). Aynı durumlar guanin (G) ile sitozin (S) arasında da mevcuttur (G/S=1). Ancak (G+S)/(A+T) oranı 1’e eşit değildir. Bu oran bütün DNA’larda farklı olabilmektedir. Adeninle timin arasında çift hidrojen bağı (A = = = T) bulunur. Sitozinle guanin arasında ise üç hidrojen bağı (S º º º G) mevcuttur. Bir baz çifti, yapısı itibariyle yakınındaki baz çiftlerini etkilemez. Bu azotlu baz-şeker-fosfat topluluğuna “nükleotit” denir. DNA, bir nükleik asit olup, temel birimi “nükleotit”tir. DNA’nın bütün nükleotitlerinde şeker ve fosfor grupları aynıdır. Nükleotitlerin farklılığı taşıdıkları bazlardan kaynaklanır. Nükleotitler taşıdıkları azotlu bazlara göre adlandırılırlar: Adenin nükleotit, guanin nükleotit, timin nükleotit, sitozin nükleotit.

Bu DNA molekülünü yapan nükleotitlerin belirli bir sıra ve düzenle dizilmeleriyle molekül boyunca gen blokları meydana gelir. Sadece şeker ve bazdan oluşan birleşime ise nükleosit denir. DNA molekülündeki sarmallık sağa doğrudur, her on çift nükleotitte tam bir tur tamamlanır.

DNA genetik bilgi deposudur. Mikroskopla bile görülemeyen bu sayılamayacak kadar bilgiler, gayet muntazam olarak yerleştirilmiştir. İnsan vücudunun planını içinde taşıyan bu muhteşem yapı kendisini inceleyen ilim adamlarını hayretler içinde bırakmakta ve DNA’dan bahseden ilmi eserlerin pek çoğunda bunu yaratanın azamet ve büyüklüğü dile getirilmektedir.

DNA’nın iki görevi vardır: Birincisi hücre bölünmesinin hazırlıkları sırasında kendi kopyasını yapmasıdır. Kromozomların ikiye bölünmesi sırasında DNA molekülü kendisinin bir kopyasını yapar, buna replikasyon veya duplikasyon denir. Bu olay yavru kromozomda aynı kısımların bulunabilmesi için gereklidir. DNA’nın kendini eşlemesi esnasında, iki sarmal ipliği bir arada tutan hidrojen bağları adeta bir fermuar gibi açılır. Açıkta kalan pürin ve pirimidin nükleotitlerin uçları, hücrede önceden sentezlenmiş nükleotitlerle tamamlanır. Böylece birbirinin aynı olan iki DNA meydana gelmiş olur. Hücre bölünmesinde her biri bir hücreye gider. İkinci görevi, kendinde toplanmış olan bilgiyi RNA’ya (Ribonükleik asit) vermesidir. Bu işleme transkripsiyon denir. Transkripsiyonun esası DNA kalıbı üzerinden RNA’nın direkt olarak sentezlenmesidir. Böylece DNA’daki bilgi RNA’ya aktarılmış olur. RNA’daki toplanan bilgi ribozomlarda tercüme edilerek protein, enzim gibi maddelerin sentezinde kullanılır.

Kromozomlarda bulunan genler DNA yapısındadır. Her canlı bireyin ve neslinin hayat planı hücre hafızasını meydana getirir. DNA molekülleri şifrelerle kodlanmıştır. DNA’nın yapısına giren bazların (A,T,G,S) her biri şifre sembolü olarak kullanılır. Hayatın dili bu dört harfli alfabeyle DNA moleküllerinde yazılmaktadır. DNA’nın ipliklerinde ard arda gelen üç nükleotit bazı bir mana (şifre) ifade eder. Dört farklı nükleotitle arka arkaya 64 şifre kodlanabilir (AAA, AAS, AAG, AGS, vb.). Şifrelerin DNA’daki sıralanışlarının değişmesiyle ise binlerce mana ifade edilebilir.

DNA’lar, kendilerinin kopyalarını yaparak, üreme hücreleriyle hayat şifrelerini nesilden nesile iletirler. Canlıların vücut yapılarının ve karakterlerinin (mavi gözlülük, kıvırcık saçlılık, çekik gözlülük vs.) cansız bir molekülde şifrelenmesi ve bu molekülün otomatik olarak kendisinin kopyasını yapabilmesi, daha açık bir ifadeyle hayat sırrını kendinde kapsaması özelliğine fen adamları hayretle bakmakta ve bunların ancak ilahi bir kudretle mümkün olabileceğini ifade etmektedirler.

Bazı sebeplerden dolayı DNA’daki genlerde yapı değişiklikleri görülebilmektedir. Bu değişmeler yavru hücrelere de aynen geçer. Bu durum bazan kansere sebeb olabilmektedir.

Kaynak: Rehber Ansiklopedisi
dna-sites.blogspot.com

DNA

2008-01-29T08:27:00.001-08:00

Deoxyribonucleic acid (DNA) is a nucleic acid that contains the genetic instructions used in the development and functioning of all known living organisms. The main role of DNA molecules is the long-term storage of information. DNA is often compared to a set of blueprints, since it contains the instructions needed to construct other components of cells, such as proteins and RNA molecules. The DNA segments that carry this genetic information are called genes, but other DNA sequences have structural purposes, or are involved in regulating the use of this genetic information.

Chemically, DNA is a long polymer of simple units called nucleotides, with a backbone made of sugars and phosphate groups joined by ester bonds. Attached to each sugar is one of four types of molecules called bases. It is the sequence of these four bases along the backbone that encodes information. This information is read using the genetic code, which specifies the sequence of the amino acids within proteins. The code is read by copying stretches of DNA into the related nucleic acid RNA, in a process called transcription.

Within cells, DNA is organized into structures called chromosomes. These chromosomes are duplicated before cells divide, in a process called DNA replication. Eukaryotic organisms such as animals, plants, and fungi store their DNA inside the cell nucleus, while in prokaryotes such as bacteria it is found in the cell's cytoplasm. Within the chromosomes, chromatin proteins such as histones compact and organize DNA. These compact structures guide the interactions between DNA and other proteins, helping control which parts of the DNA are transcribed.

History and anthropology

2008-01-29T08:26:00.003-08:00

Because DNA collects mutations over time, which are then inherited, it contains historical information and by comparing DNA sequences, geneticists can infer the evolutionary history of organisms, their phylogeny.[113] This field of phylogenetics is a powerful tool in evolutionary biology. If DNA sequences within a species are compared, population geneticists can learn the history of particular populations. This can be used in studies ranging from ecological genetics to anthropology; for example, DNA evidence is being used to try to identify the Ten Lost Tribes of Israel.[114][115]

DNA has also been used to look at modern family relationships, such as establishing family relationships between the descendants of Sally Hemings and Thomas Jefferson. This usage is closely related to the use of DNA in criminal investigations detailed above. Indeed, some criminal investigations have been solved when DNA from crime scenes has matched relatives of the guilty individual.[116]

History

Rosalind Franklin
Francis Crick
James Watson
British £2 coin commemorating the 50th anniversary of the discovery of the structure of DNAFurther information: History of molecular biology
DNA was first isolated by the Swiss physician Friedrich Miescher who, in 1869, discovered a microscopic substance in the pus of discarded surgical bandages. As it resided in the nuclei of cells, he called it "nuclein".[117] In 1919 this discovery was followed by Phoebus Levene's identification of the base, sugar and phosphate nucleotide unit.[118] Levene suggested that DNA consisted of a string of nucleotide units linked together through the phosphate groups. However, Levene thought the chain was short and the bases repeated in a fixed order. In 1937 William Astbury produced the first X-ray diffraction patterns that showed that DNA had a regular structure.[119]

In 1928, Frederick Griffith discovered that traits of the "smooth" form of the Pneumococcus could be transferred to the "rough" form of the same bacteria by mixing killed "smooth" bacteria with the live "rough" form.[120] This system provided the first clear suggestion that DNA carried genetic information, when Oswald Avery, along with coworkers Colin MacLeod and Maclyn McCarty, identified DNA as the transforming principle in 1943.[121] DNA's role in heredity was confirmed in 1953, when Alfred Hershey and Martha Chase in the Hershey-Chase experiment showed that DNA is the genetic material of the T2 phage.[122]

In 1953, based on X-ray diffraction images[123] taken by Rosalind Franklin and the information that the bases were paired, James D. Watson and Francis Crick suggested[123] what is now accepted as the first accurate model of DNA structure in the journal Nature.[5] Experimental evidence for Watson and Crick's model were published in a series of five articles in the same issue of Nature.[124] Of these, Franklin and Raymond Gosling's paper was the first publication of X-ray diffraction data that supported the Watson and Crick model,[125][126] this issue also contained an article on DNA structure by Maurice Wilkins and his colleagues.[127] In 1962, after Franklin's death, Watson, Crick, and Wilkins jointly received the Nobel Prize in Physiology or Medicine.[128] However, debate continues on who should receive credit for the discovery, as the Watson and Crick article in Nature was based on Franklin's data without either acknowledgment or her knowledge.[129]

In an influential presentation in 1957, Crick laid out the "Central Dogma" of molecular biology, which foretold the relationship between DNA, RNA, and proteins, and articulated the "adaptor hypothesis".[130] Final confirmation of the replication mechanism that was implied by the double-helical structure followed in 1958 through the Meselson-Stahl experiment.[131] Further work by Crick and coworkers showed that the genetic code was based on non-overlapping triplets of bases, called codons, allowing Har Gobind Khorana, Robert W. Holley and Marshall Warren Nirenberg to decipher the genetic code.[132] These findings represent the birth of molecular biology.

DNA nanotechnology

2008-01-29T08:26:00.001-08:00

DNA nanotechnology uses the unique molecular recognition properties of DNA and other nucleic acids to create self-assembing branched DNA complexes with useful properties. DNA is thus used as a structural material rather than as a carrier of biological information. This has led to the creation of two-dimensional periodic lattices (both tile-based as well as using the "DNA origami" method) as well as three-dimensional structures in the shapes of polyhedra. Nanomechanical devices and algorithmic self-assembly have also been demonstrated, and these DNA structures have been used to template the arrangement of other molecules such as gold nanoparticles and streptavidin proteins.

Uses in technology

2008-01-29T08:24:00.004-08:00

Genetic engineering
Further information: Molecular biology and genetic engineering
Modern biology and biochemistry make intensive use of recombinant DNA technology. Recombinant DNA is a man-made DNA sequence that has been assembled from other DNA sequences. They can be transformed into organisms in the form of plasmids or in the appropriate format, by using a viral vector.[100] The genetically modified organisms produced can be used to produce products such as recombinant proteins, used in medical research,[101] or be grown in agriculture.[102][103]

Forensics
Further information: Genetic fingerprinting
Forensic scientists can use DNA in blood, semen, skin, saliva or hair at a crime scene to identify a perpetrator. This process is called genetic fingerprinting, or more accurately, DNA profiling. In DNA profiling, the lengths of variable sections of repetitive DNA, such as short tandem repeats and minisatellites, are compared between people. This method is usually an extremely reliable technique for identifying a criminal.[104] However, identification can be complicated if the scene is contaminated with DNA from several people.[105] DNA profiling was developed in 1984 by British geneticist Sir Alec Jeffreys,[106] and first used in forensic science to convict Colin Pitchfork in the 1988 Enderby murders case.[107] People convicted of certain types of crimes may be required to provide a sample of DNA for a database. This has helped investigators solve old cases where only a DNA sample was obtained from the scene. DNA profiling can also be used to identify victims of mass casualty incidents.[108]

Bioinformatics
Further information: Bioinformatics
Bioinformatics involves the manipulation, searching, and data mining of DNA sequence data. The development of techniques to store and search DNA sequences have led to widely-applied advances in computer science, especially string searching algorithms, machine learning and database theory.[109] String searching or matching algorithms, which find an occurrence of a sequence of letters inside a larger sequence of letters, were developed to search for specific sequences of nucleotides.[110] In other applications such as text editors, even simple algorithms for this problem usually suffice, but DNA sequences cause these algorithms to exhibit near-worst-case behaviour due to their small number of distinct characters. The related problem of sequence alignment aims to identify homologous sequences and locate the specific mutations that make them distinct. These techniques, especially multiple sequence alignment, are used in studying phylogenetic relationships and protein function.[111] Data sets representing entire genomes' worth of DNA sequences, such as those produced by the Human Genome Project, are difficult to use without annotations, which label the locations of genes and regulatory elements on each chromosome. Regions of DNA sequence that have the characteristic patterns associated with protein- or RNA-coding genes can be identified by gene finding algorithms, which allow researchers to predict the presence of particular gene products in an organism even before they have been isolated experimentally.[112]

Evolution of DNA metabolism

2008-01-29T08:24:00.003-08:00

DNA contains the genetic information that allows all modern living things to function, grow and reproduce. However, it is unclear how long in the 4-billion-year history of life DNA has performed this function, as it has been proposed that the earliest forms of life may have used RNA as their genetic material.[81][93] RNA may have acted as the central part of early cell metabolism as it can both transmit genetic information and carry out catalysis as part of ribozymes.[94] This ancient RNA world where nucleic acid would have been used for both catalysis and genetics may have influenced the evolution of the current genetic code based on four nucleotide bases. This would occur since the number of unique bases in such an organism is a trade-off between a small number of bases increasing replication accuracy and a large number of bases increasing the catalytic efficiency of ribozymes.[95]

Unfortunately, there is no direct evidence of ancient genetic systems, as recovery of DNA from most fossils is impossible. This is because DNA will survive in the environment for less than one million years and slowly degrades into short fragments in solution.[96] Although claims for older DNA have been made, most notably a report of the isolation of a viable bacterium from a salt crystal 250-million years old,[97] these claims are controversial and have been disputed.[98][99]

Genetic recombination

2008-01-29T08:24:00.001-08:00

A DNA helix usually does not interact with other segments of DNA, and in human cells the different chromosomes even occupy separate areas in the nucleus called "chromosome territories".[87] This physical separation of different chromosomes is important for the ability of DNA to function as a stable repository for information, as one of the few times chromosomes interact is during chromosomal crossover when they recombine. Chromosomal crossover is when two DNA helices break, swap a section and then rejoin.

Recombination allows chromosomes to exchange genetic information and produces new combinations of genes, which increases the efficiency of natural selection and can be important in the rapid evolution of new proteins.[88] Genetic recombination can also be involved in DNA repair, particularly in the cell's response to double-strand breaks.[89]

The most common form of chromosomal crossover is homologous recombination, where the two chromosomes involved share very similar sequences. Non-homologous recombination can be damaging to cells, as it can produce chromosomal translocations and genetic abnormalities. The recombination reaction is catalyzed by enzymes known as recombinases, such as RAD51.[90] The first step in recombination is a double-stranded break either caused by an endonuclease or damage to the DNA.[91] A series of steps catalyzed in part by the recombinase then leads to joining of the two helices by at least one Holliday junction, in which a segment of a single strand in each helix is annealed to the complementary strand in the other helix. The Holliday junction is a tetrahedral junction structure that can be moved along the pair of chromosomes, swapping one strand for another. The recombination reaction is then halted by cleavage of the junction and re-ligation of the released DNA.[92

DNA-modifying enzymes

2008-01-29T08:23:00.004-08:00

Nucleases and ligases
Nucleases are enzymes that cut DNA strands by catalyzing the hydrolysis of the phosphodiester bonds. Nucleases that hydrolyse nucleotides from the ends of DNA strands are called exonucleases, while endonucleases cut within strands. The most frequently-used nucleases in molecular biology are the restriction endonucleases, which cut DNA at specific sequences. For instance, the EcoRV enzyme shown to the left recognizes the 6-base sequence 5′-GAT|ATC-3′ and makes a cut at the vertical line. In nature, these enzymes protect bacteria against phage infection by digesting the phage DNA when it enters the bacterial cell, acting as part of the restriction modification system.[77] In technology, these sequence-specific nucleases are used in molecular cloning and DNA fingerprinting.

Enzymes called DNA ligases can rejoin cut or broken DNA strands.[78] Ligases are particularly important in lagging strand DNA replication, as they join together the short segments of DNA produced at the replication fork into a complete copy of the DNA template. They are also used in DNA repair and genetic recombination.[78]

Topoisomerases and helicases
Topoisomerases are enzymes with both nuclease and ligase activity. These proteins change the amount of supercoiling in DNA. Some of these enzyme work by cutting the DNA helix and allowing one section to rotate, thereby reducing its level of supercoiling; the enzyme then seals the DNA break.[23] Other types of these enzymes are capable of cutting one DNA helix and then passing a second strand of DNA through this break, before rejoining the helix.[79] Topoisomerases are required for many processes involving DNA, such as DNA replication and transcription.[24]

Helicases are proteins that are a type of molecular motor. They use the chemical energy in nucleoside triphosphates, predominantly ATP, to break hydrogen bonds between bases and unwind the DNA double helix into single strands.[80] These enzymes are essential for most processes where enzymes need to access the DNA bases.

Polymerases
Polymerases are enzymes that synthesize polynucleotide chains from nucleoside triphosphates. The sequence of their products are copies of existing polynucleotide chains - which are called templates. These enzymes function by adding nucleotides onto the 3′ hydroxyl group of the previous nucleotide in a DNA strand. Consequently, all polymerases work in a 5′ to 3′ direction.[81] In the active site of these enzymes, the incoming nucleoside triphosphate base-pairs to the template: this allows polymerases to accurately synthesize the complementary strand of their template. Polymerases are classified according to the type of template that they use.

In DNA replication, a DNA-dependent DNA polymerase makes a DNA copy of a DNA sequence. Accuracy is vital in this process, so many of these polymerases have a proofreading activity. Here, the polymerase recognizes the occasional mistakes in the synthesis reaction by the lack of base pairing between the mismatched nucleotides. If a mismatch is detected, a 3′ to 5′ exonuclease activity is activated and the incorrect base removed.[82] In most organisms DNA polymerases function in a large complex called the replisome that contains multiple accessory subunits, such as the DNA clamp or helicases.[83]

RNA-dependent DNA polymerases are a specialized class of polymerases that copy the sequence of an RNA strand into DNA. They include reverse transcriptase, which is a viral enzyme involved in the infection of cells by retroviruses, and telomerase, which is required for the replication of telomeres.[84][32] Telomerase is an unusual polymerase because it contains its own RNA template as part of its structure.[33]

Transcription is carried out by a DNA-dependent RNA polymerase that copies the sequence of a DNA strand into RNA. To begin transcribing a gene, the RNA polymerase binds to a sequence of DNA called a promoter and separates the DNA strands. It then copies the gene sequence into a messenger RNA transcript until it reaches a region of DNA called the terminator, where it halts and detaches from the DNA. As with human DNA-dependent DNA polymerases, RNA polymerase II, the enzyme that transcribes most of the genes in the human genome, operates as part of a large protein complex with multiple regulatory and accessory subunits.[85]

DNA-binding proteins

2008-01-29T08:23:00.003-08:00

Structural proteins that bind DNA are well-understood examples of non-specific DNA-protein interactions. Within chromosomes, DNA is held in complexes with structural proteins. These proteins organize the DNA into a compact structure called chromatin. In eukaryotes this structure involves DNA binding to a complex of small basic proteins called histones, while in prokaryotes multiple types of proteins are involved.[63][64] The histones form a disk-shaped complex called a nucleosome, which contains two complete turns of double-stranded DNA wrapped around its surface. These non-specific interactions are formed through basic residues in the histones making ionic bonds to the acidic sugar-phosphate backbone of the DNA, and are therefore largely independent of the base sequence.[65] Chemical modifications of these basic amino acid residues include methylation, phosphorylation and acetylation.[66] These chemical changes alter the strength of the interaction between the DNA and the histones, making the DNA more or less accessible to transcription factors and changing the rate of transcription.[67] Other non-specific DNA-binding proteins found in chromatin include the high-mobility group proteins, which bind preferentially to bent or distorted DNA.[68] These proteins are important in bending arrays of nucleosomes and arranging them into more complex chromatin structures.[69]

A distinct group of DNA-binding proteins are the single-stranded-DNA-binding proteins that specifically bind single-stranded DNA. In humans, replication protein A is the best-characterised member of this family and is essential for most processes where the double helix is separated, including DNA replication, recombination and DNA repair.[70] These binding proteins seem to stabilize single-stranded DNA and protect it from forming stem-loops or being degraded by nucleases.

The lambda repressor helix-turn-helix transcription factor bound to its DNA target[71]In contrast, other proteins have evolved to specifically bind particular DNA sequences. The most intensively studied of these are the various classes of transcription factors, which are proteins that regulate transcription. Each one of these proteins bind to one particular set of DNA sequences and thereby activates or inhibits the transcription of genes with these sequences close to their promoters. The transcription factors do this in two ways. Firstly, they can bind the RNA polymerase responsible for transcription, either directly or through other mediator proteins; this locates the polymerase at the promoter and allows it to begin transcription.[72] Alternatively, transcription factors can bind enzymes that modify the histones at the promoter; this will change the accessibility of the DNA template to the polymerase.[73]

As these DNA targets can occur throughout an organism's genome, changes in the activity of one type of transcription factor can affect thousands of genes.[74] Consequently, these proteins are often the targets of the signal transduction processes that mediate responses to environmental changes or cellular differentiation and development. The specificity of these transcription factors' interactions with DNA come from the proteins making multiple contacts to the edges of the DNA bases, allowing them to "read" the DNA sequence. Most of these base-interactions are made in the major groove, where the bases are most accessible.[75