DNA-struktur

Överblickstabell för arvsmassans struktur

Länk till bilder på DNA-struktur och uppbyggnad

Cellkärnan

Cellkärnan är cellens kommandocentral och omges av ett dubbelt membran som separerar dess innehåll från cytoplasman. Det yttre kärnmembranet är kontinuerligt med det endoplasmatiska retiklet och är ofta täckt med ribosomer. Det inre membranet är förstärkt av ett nätverk av laminer som ger mekaniskt stöd och organiserar kromatinet.

Kärnmembranet genomborras av kärnporer, specialiserade strukturer som kontrollerar transport mellan cytoplasman och kärnan. Genom dessa porer importeras proteiner, nukleotider och regulatoriska molekyler, medan mRNA, tRNA och ribosomala subenheter exporteras.

Inuti kärnan finns nukleolen, en distinkt struktur där rRNA syntetiseras och ribosomernas stora och lilla subenhet sätts samman. Kärnan innehåller även kromatin – en komplex blandning av DNA och histonproteiner. Kromatinet förekommer i två former: heterokromatin, som är tätt packat och transkriptionellt inaktivt, och eukromatin, som är löst packat och tillgängligt för transkription. Under celldelning replikeras DNA och kondenseras till kromosomer.

Kromatinets struktur

Kromatin är den strukturella formen som cellens DNA antar tillsammans med olika proteiner, främst histoner, i cellkärnan. Denna sammansättning möjliggör både kompakt förvaring av genetiskt material och reglering av genuttryck. Kromatinets struktur är hierarkiskt organiserad och kan packas i olika täthetsnivåer beroende på cellens funktionella behov.

På den mest övergripande nivån är DNA organiserat i kromosomer, särskilt tydliga under celldelning då kromatinet är starkt kondenserat. När cellen inte delar sig förekommer kromatinet i två tillstånd: eukromatin, som är lösare packat och tillgängligt för transkription, och heterokromatin, som är kompakt och transkriptionellt inaktivt.

Strukturen på molekylär nivå börjar med att DNA lindas runt histonproteiner. Åtta histoner (två vardera av H2A, H2B, H3 och H4) bildar en histonoktamer, runt vilken cirka 147 baspar DNA rullas – detta kallas en nukleosom. Mellan nukleosomerna finns länkardna, och ofta ett H1-histon som stabiliserar strukturen ytterligare. Denna "pärlband"-struktur kan sedan packas tätare till 30 nm fibrer och ännu kompaktare strukturer vid behov, som i metafaskromosomer.

Histonproteiner och epigenetisk reglering av replikation

Histonproteiner är centrala komponenter i kromatinstrukturen och spelar en avgörande roll i hur DNA paketeras och regleras i cellkärnan. De kärnhistonproteiner som bildar nukleosomen – H2A, H2B, H3 och H4 – organiserar DNA till en stabil men dynamisk struktur. Ytterligare reglering sker genom det linkerhistonet H1, som binder till DNA mellan nukleosomerna och bidrar till högre ordningens kromatinstruktur.

Histonerna har svansar som sticker ut från nukleosomen, och dessa kan modifieras kemiskt för att påverka kromatinets struktur och funktion. Två vanliga modifieringar är acetylering och metylering, vilka har stor betydelse för replikationens reglering. Acetylering av lysinrester, särskilt på histon H3 och H4, gör kromatinet mer öppet och tillgängligt, vilket underlättar initiering av DNA-replikation. Enzymer som histonacetyltransferaser (HATs) utför denna modifiering, medan histondeacetylaser (HDACs) tar bort acetylgrupper och återför kromatinet till ett mer kompakt, inaktivt tillstånd.

Metylering av histoner, främst på lysin och arginin, kan ha olika effekter beroende på vilken rest och vilket sammanhang det sker i. Vissa metylationer, exempelvis trimetylering av H3K9 eller H3K27, är associerade med tystat kromatin och hämmad replikation, medan andra, som H3K4-metylering, är förknippade med aktiv kromatin. Dessa modifieringar fungerar som signaler för att rekrytera eller blockera proteiner som reglerar åtkomst till DNA under replikation.

Dessa epigenetiska modifieringar påverkar inte DNA-sekvensen men har en djupgående inverkan på när och var i genomet replikation får ske. På så sätt kan cellen finjustera replikationsmönstret under utveckling, differentiering och vid behov av DNA-reparation.

DNAs komponenter och struktur

DNA, deoxiribonukleinsyra, är det ärftliga materialet i alla levande organismer och består av långa kedjor av nukleotider. Varje nukleotid är uppbyggd av tre grundläggande komponenter: en kvävebas, ett pentossocker (deoxiribos) och en fosfatgrupp. När en kvävebas binder till sockret bildas en nukleosid; adderas en fosfatgrupp blir det en nukleotid. Kvävebaserna delas in i puriner – adenin (A) och guanin (G) – och pyrimidiner – cytosin (C) och tymin (T). I RNA ersätts tymin av uracil (U), som är en pyrimidinbas specifik för ribonukleinsyra.

Nukleotiderna kopplas samman via kovalenta fosfodiesterbindningar mellan 5’-fosfatet på en nukleotid och 3’-hydroxylgruppen på nästa. Detta skapar en ryggrad av socker och fosfat med en riktning från 5’ till 3’. DNA-molekylen består av två sådana kedjor som löper i motsatt riktning – de är antiparallella – och hålls samman genom vätebindningar mellan komplementära baspar: A parar med T via två vätebindningar, och G parar med C via tre vätebindningar. I RNA parar A istället med U.

Tillsammans bildar dessa två kedjor en dubbelhelix med en regelbunden spiralform. Helixens struktur ger upphov till två olika utrymmen mellan kedjorna: en bredare major groove och en smalare minor groove. Dessa får funktionell betydelse eftersom många DNA-bindande proteiner, såsom transkriptionsfaktorer och regulatorer, känner igen specifika sekvenser via kontaktytor i dessa groover. Ett exempel på en molekyl som binder i minor groove är det cytotoxiska läkemedlet dactinomycin, som interkalerar mellan baspar och hämmar transkription.