DNA og gener

Genteknologi gør det muligt at ændre gener, som er kodet i DNA og styrer cellernes funktioner. I dette afsnit præsenteres den grundlæggende viden, der er nødvendig for senere at forstå mere avanceret genteknologi.

 

DNA og RNA

Alle levende organismer indeholder DNA (deoxyribonukleinsyre), som bærer den genetiske information. DNA fungerer som cellens “opskriftbog” og indeholder informationen til at danne proteiner, som styrer cellens opbygning og funktioner. DNA er opbygget af små byggesten kaldet nukleotider. Hvert nukleotid består af tre dele: et sukker (deoxyribose), en fosfatgruppe og en nitrogenholdig base. Der findes fire forskellige baser i DNA: adenin (A), thymin (T), cytosin (C) og guanin (G). DNA består af to komplementære strenge, der danner en dobbelthelix. De to strenge holdes sammen af specifik baseparring, hvor A altid parrer med T, og C altid parrer med G. Rækkefølgen af baserne langs DNA-strengen udgør den genetiske kode. DNA-strengene har en bestemt retning, fordi nukleotiderne er koblet sammen mellem sukkerets 3’-carbon i den ene ende og 5’-carbon i den anden. Derfor har hver DNA-streng en fri 5’-ende og en fri 3’-ende, og de to komplementære strenge løber i modsatrettede retninger (antiparallelt). Strukturen af DNA kan ses i Figur 1.

Figur 1. Den dobbeltstrengede DNA-kæde som foldes op i et kromosom. De to DNA-strenge holdes sammen af hydrogenbindinger mellem de baseparrende, komplementære nukleotider.

RNA

RNA (ribonukleinsyre) minder om DNA, men adskiller sig på flere måder. RNA indeholder sukkeret ribose, er som regel enkeltstrenget, og basen thymin er erstattet af uracil (U). Ligesom DNA har RNA også en 5’- og 3’-ende.

RNA fungerer som et vigtigt bindeled mellem DNA og proteiner. Der findes flere typer RNA, hvor de vigtigste er:

  • mRNA (messenger RNA): Transporterer genetisk information fra DNA til ribosomerne, hvor proteiner dannes.

  • tRNA (transfer RNA): Transporterer specifikke aminosyrer til ribosomerne under proteinsyntesen.

  • rRNA (ribosomalt RNA): Indgår som en central del af ribosomerne og hjælper med at danne proteiner.

Replication

Inden en celle deler sig, er det vigtigt, at den genetiske information kopieres, så begge nye celler får det samme DNA. Denne kopieringsproces kaldes replikation.

DNA består af to komplementære strenge, der løber i modsatte retninger (5’ → 3’ og 3’ → 5’). Under replikationen skilles de to strenge ad, og hver streng fungerer som skabelon for dannelsen af en ny streng. På den måde udnyttes baseparringerne, hvor A parrer med T og C med G, til at lave en nøjagtig kopi.

Først åbner enzymet helicase DNA-dobbelthelixen ved at bryde bindingerne mellem baseparrene. Derefter kobler enzymet DNA-polymerase nye nukleotider på den eksisterende streng. DNA-polymerase kan kun bygge i retningen 5’ → 3’, og derfor dannes de to nye DNA-strenge på forskellig måde. Den ene streng dannes kontinuerligt (leading strand), mens den anden dannes i korte stykker (Okazaki-fragmenter) på den såkaldte lagging strand. Disse fragmenter samles senere til én sammenhængende streng.

Figur 2. Replikation af de to modsatrettede DNA-strenge, som resulterer i en kopiering af DNA’et. De nye DNA-strenge (rødlig) startes fra primerne (røde kugler) og syntetiseres af DNA-polymerase i retningen 5′ til 3′.

DNA-polymerase kan ikke starte en ny DNA-streng selv. Derfor laver enzymet primase først en kort RNA-sekvens, kaldet en primer, som DNA-polymerase kan bygge videre på. Efter replikationen vil én DNA-dobbeltstreng bliver til to identiske DNA-dobbeltstrenge, som hver består af én gammel og én ny streng. Et overblik over replication kan ses i Figur 2.

Gener

Et gen er en sekvens af DNA, der fungerer som en biologisk instruktion ved at kode for et protein. Genet kan dermed give en arvelig egenskab, da DNA videregives til nye celler. Gener kan have tydelig betydning for en organisme, f.eks. ved at bestemme øjenfarve. Mange egenskaber skyldes dog samspil mellem flere gener, og der findes derfor ikke ét enkelt gen, der alene bestemmer f.eks. højde.

Et gen omfatter både den kodende del, som fører til dannelsen af proteinet, samt omkringliggende regulerende områder, der er med til at tænde og slukke genet. Nogle gener kommer dog ikke til udtryk som proteiner, fordi det i disse tilfælde er RNA-sekvensen i sig selv, der har en biologisk funktion. Et eksempel er ribosomer, som blandt andet består af store, foldede RNA-molekyler.

 

Det centrale dogme

Det centrale dogme beskriver, hvordan genetisk information bruges i cellen. Informationen lagres i DNA, overføres til RNA og bruges derefter til at danne proteiner, som udfører cellens funktioner.

Informationsvejen kan opsummeres som:

DNA → mRNA → Protein

Transkription (DNA → mRNA)

Transkription er processen, hvor mRNA dannes ud fra DNA for de gener, som cellen har brug for på et givent tidspunkt. Det afskrevne mRNA bruges senere som skabelon til at danne det protein, genet koder for. Processen starter, når transkriptionsfaktorer binder til et område foran den proteinkodende del af genet, kaldet en promoter. Bindingen gør det muligt for enzymet RNA-polymerase at binde til DNA’et og syntetisere mRNA-strengen. RNA-polymerase bevæger sig langs DNA-strengen og bygger mRNA ved hjælp af komplementær baseparring: G i DNA giver C i mRNA, A i DNA giver U i mRNA (uracil erstatter thymin i RNA). Hos bakterier kan RNA-polymerase arbejde med en hastighed på ca. 2000 nukleotider i minuttet. Transkriptionen fortsætter, indtil enzymet møder en terminator-sekvens, hvorefter mRNA’et frigives. Processen er illustreret på Figur 3.

 

 Figur 3. Transkription, hvor RNA-polymerase syntetitserer en mRNA-streng (lilla) ud fra de komplementære nukleotider i DNA’et.

Forskelle mellem prokaryote og eukaryote organismer

Selvom transkriptionen grundlæggende fungerer ens i alle organismer, er der vigtige forskelle mellem prokaryote og eukaryote celler.

  • I eukaryote celler foregår transkriptionen i cellekernen, hvor DNA opbevares. Det nytranskriberede mRNA skal herefter passere kernen ud til ribosomerne i cytoplasmaet, og undervejs modificeres det med en poly(A)-hale, som beskytter mRNA’et og forlænger dets levetid. Eukaryot DNA indeholder også introner, som ikke koder for protein og derfor skal fjernes via splicing, før mRNA’et kan oversættes korrekt til protein.
  • I prokaryote celler sker transkriptionen direkte i cytoplasmaet, og translationen kan begynde samtidig. Prokaryoter har ingen introner, så mRNA’et kan bruges med det samme, hvilket gør processen mere direkte og hurtigere.

Translation (mRNA → protein)

Translation er den del af proteinsyntesen, hvor mRNA’ets codons oversættes til aminosyrer, som sættes sammen til en aminosyrekæde, der til sidst bliver til et funktionelt protein. Processen kan forløbe med op til ca. 15 aminosyrer i sekundet.

Translationen starter ved startcodonet AUG på mRNA, som koder for aminosyren methionin (Met). Et ribosom binder sig ofte først til et ribosombindingsted på mRNA’et, som ligger foran startcodonet (se Figur 4). Ribosomet bevæger sig herefter langs mRNA-strengen og tilføjer aminosyrer én efter én. Hver af de 20 aminosyrer transporteres af tRNA (transfer RNA). tRNA’et har et anticodon, der passer til codonet på mRNA’et, og afleverer den korrekte aminosyre til den voksende polypeptidkæde. På den måde læser ribosomet mRNA og bygger proteinet præcist efter den genetiske kode.

 

Figur 4. Translationen hvor protein dannes fra mRNA. tRNA baseparrer til det næste ledige codon på mRNA-strengen. tRNA’et indsætter dermed den passende aminosyre i den voksende aminosyrekæde, der bliver det nye protein.