Organizácia DNA

DNA tvorí genetickú informáciu každej eukaryotickej aj prokaryotickej bunky (okrem niektorých špecializovaných typov rastlinných a živočíšnych buniek, ktoré nemajú žiadnu genetickú informáciu) a RNA-vírusov, ktorým sa v tomto článku nebudem venovať. U všetkých organizmov má rovnaké chemické zloženie (fosfosacharidová kostra, dusíkaté bázy - adenín, tymín, guanín, cytozín) a štruktúru. Napriek tomu sa v živých systémoch prokaryotická a eukaryotická DNA v mnohom od seba odlišuje:

  • veľkosťou
  • distribúciou
  • spôsobom replikácie
  • spôsobom realizácie genetickej informácie
  • reguláciou génovej expresie

Prokaryotická DNA

V prokaryotickej bunke nie je genetická informácia oddelená od zvyšku cytoplazmy jadrovou membránou. Oblasť, v ktorej sa DNA nachádza, sa označuje ako nepravé jadro alebo nukleoid. DNA prokaryot predstavuje jednu dvojvláknovú kruhovú molekulu, ktorá sa často zvykne nazývať bakteriálny chromozóm, ale netreba si ho mýliť s typickým eukaryotickým chromozómom. U baktérie Escherichia coli má veľkosť 4,6 × 106 bázových párov, čo predstavuje dĺžku ~1,5 mm. DNA v bunke nadobúda kompaktnú terciárnu štruktúru mnohonásobným zbalením molekuly, ktoré však nesúvisí s histónmi typickými pre eukaryotické bunky. Tu však treba rozlišovať medzi baktériami a archeónmi, ktoré napriek prokaryotickej cytológii históny majú.

Okrem chromozómu vlastní takmer každá prokaryotická bunka niekoľko plazmidov, ktoré sa definujú ako doplnkové genetické elementy. Môžu ich mať aj niektoré nižšie eukaryoty (napr. niektoré kvasinky). Sú to taktiež kruhové molekuly DNA ale podstatne menšie ako chromozóm. Plazmidy spravidla nesú gény, ktoré svojim nositeľom dávajú určité výhody nad konkurenciou (napr. gény rezistencie voči antibiotikám). Baktérie si môžu niektoré typy plazmidov odovzdávať, čím urýchľujú šírenie rezistencie a prispievajú k zväčšovaniu tohto medicínskeho problému.

Eukaryotická DNA

Jadrová DNA eukaryot na rozdiel od prokaryotického chromozómu je oddelená od metabolických procesov prebiehajúcich v cytoplazme dvojitou jadrovou membránou. Členená je spravidla do viacerých chromozómov, ktoré sa počas bunkového delenia správajú ako samostatné elementy. Eukaryotická DNA je dvojvláknová a lineárna, len výnimočne kruhová. DNA je v eukaryotickom jadre v asociácii s proteínmi, ktoré napomáhajú jej špiralizácii a majú aj regulačnú úlohu pri realizácii genetickej informácie.

Eukaryotické organizmy sú väčšinou diploidné, tzn. že chromozómy sa nachádzajú v pároch. Takéto homologické chromozómy obsahujú rovnaké väzbové skupiny génov a môže medzi nimi prebiehať rekombinácia, ktorá je do značnej miery u prokaryot obmedzená. Homologické chromozómy teda obsahujú dve "verzie" alebo alely z každého génu. Ak je medzi týmito alelami vzťah, ktorý z genetiky možno označiť ako dominantný, nemusia sa recesívne alely génu fenotypovo prejaviť. To je taktiež hlavná odlišnosť od prokaryot, ktoré majú len jeden chromozóm, pretože u nich sa prejaví fenotypovo každá alela.

Organizácia chromatínu

Relaxovaná ľudská DNA všetkých 46 chromozómov meria dokopy ~1,8 m do dĺžky a široká je len 2 nm. Naproti tomu chromozómy, ktoré sú viditeľné počas bunkového delenia, majú v priemere len 1,3-10 µm. To predstavuje ~10000-násobnú kondenzáciu DNA, ku ktorej dochádza na viacerých úrovniach:

  1. V prvom rade je zbalenie DNA umožnené vďaka špeciálnym proteínom - histónom. Niekoľko mierne odlišných histónov vytvára "súdok", okolo ktorého sa DNA dokáže približne 2x obtočiť. Táto spoločná štruktúra DNA+históny (nukleohistónový komplex, skrátene nukleohistón) sa nazýva nukleozóm a tvorí základnú štruktúrnu jednotku eukaryotického chromatínu. Po celej dĺžke molekuly DNA sa nachádza veľké množstvo nukleozómov v tesných vzdialenostiach medzi sebou tvoriac tak nukleozómové vlákno o priemere ~10 nm. Úspora dĺžky DNA je približne 6-násobná.
  2. Ďalšia kondenzácia spočíva v zhustení samotných nukleozómov do kompaktnejších štruktúr. Umožňuje to ďalší typ histónu, ktorý nie je súčasťou 10 nm nukleozómového vlákna. Až s jeho prítomnosťou dochádza k veľmi tesnému spojeniu susediacich nukleozómov a výsledkom je vlákno široké 30 nm. Pri tomto stupni kondenzácie je DNA skrátená zhruba 40-násobne oproti relaxovanej forme.
  3. Napokon prichádzajú do hry proteíny, ktoré tvoria tzv. chromozómové lešenie (angl. scaffold). Sú to nehistónové proteíny, ktoré vytvoria akýsi podklad, ku ktorému sa 30 nm vlákno s DNA prichytí na viacerých miestach, pričom voľné vlákna vytvoria slučky smerujúce od lešenia do všetkých strán. Podrobné znalosti o týchto štruktúrach ani o ďalšom priebehu vinutia DNA nie sú známe, pretože ich preskúmanie je do značnej miery technicky obtiažne. Na jeho konci je kondenzovaný metafázny chromozóm, ktorý je asi 10000x kratší a 400x hrubší ako je nahá DNA.
Históny obsahujú veľký pomer zásaditých aminokyselín, hlavne lyzínu a arginínu, čo je hlavný dôvod, prečo viažu záporne nabitú DNA. V nukleozóme sú zastúpené štyri typy histónov, z každého typu po dve molekuly: 2xH2A, 2xH2B, 2xH3 a 2xH4. Histón s označením H1 má trochu odlišnú štruktúru a je to ten, čo spája susediace nukleozómy.

Mimojadrová DNA

Okrem jadra sa DNA u takmer všetkých eukaryotov nachádza aj v mitochondriách a u rastlín aj v chloroplastoch. Svojou organizáciou sa jedná o DNA prokaryotického typu, čo súvisí s evolúciou týchto bunkových organel. V oboch prípadoch je špiralizovaná bez asociácie so štruktúrnymi proteínmi (históny a pod.) a je prítomná v organele vo viacerých kópiách. Mitochondriálna DNA je dvojvláknová a väčšinou kruhová, u niektorých jednobunkovcov a niektorých húb lineárna. Jej veľkosť je do 20 tisíc bázových párov u živočíchov, 80 tisíc bázových párov u kvasiniek a 100 tisíc až 2 milióny bázových párov u rastlín. Chloroplastová DNA je dvojvláknová, vždy kruhová. V priemere je väčšia ako mitochondriálna, s dĺžkou 80-600 tisíc bázových párov. Medzidruhové rozdiely vo veľkosti mitochondriálnej a chloroplastovej DNA sú v prítomnosti intrónov; genetický obsah je takmer identický. Obe organely nesú genetickú informáciu súvisiacu s ich funkciou v bunke, ktorá sa nededí podľa mendelistických pravidiel.