Τρίτη, 17 Ιουνίου 2014 09:43

Μεθυλίωση του DNA

Γράφτηκε από την
Βαθμολογήστε αυτό το άρθρο
(6 ψήφοι)

Δομή και λειτουργία των νουκλεϊνικών οξέων

Γράφει η

Δρ Σάββη Μάλλιου Κριαρά

Ειδικός Παθολόγος- Ογκολόγος, MD, PhD

Tα νουκλεϊνικά οξέα είναι σύνθετα βιολογικά μακρομόρια, που αποτελούνται από αλυσίδες νουκλεοτιδίων που περιέχουν γενετικές πληροφορίες.

Τα νουκλεϊνικά οξέα είναι το Δεοξυριβονουκλεϊνικό οξύ (DNA) και το Ριβονουκλεϊνικό οξύ (RNA).

Τα νουκλεϊνικά οξέα υπάρχουν στα κύτταρα όλων των έμβιων οργανισμών.

Ο βιολογικός ρόλος των νουκλεϊνικών οξέων είναι η αποθήκευση, η μετάδοση και η έκφραση των γενετικών πληροφοριών.

Τα νουκλεϊνικά οξέα αποτελούν αλυσίδες από μονότονα επαναλαμβανόμενες μονάδες, τα νουκλεοτίδια. Όπως στο DNA έτσι και στο RNA συναντάμε 4 είδη νουκλεοτιδίων.

Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από ένα σάκχαρο, μία έως τρεις φωσφορικές ομάδες και μία αζωτούχα βάση.

Οι βάσεις είναι οι πουρίνες αδενίνη και γουανίνη και οι πυριμιδίνες κυτοσίνη, θυμίνη και ουρακίλη. Στην ακολουθία των βάσεων είναι καταγραμμένη η γενετική πληροφορία.

Τα νουκλεοτίδια ενώνονται μεταξύ τους σχηματίζοντας πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες. Το μόριο του DNA αποτελείται από δύο πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες συμπληρωματικές μεταξύ τους και αντιπαράλληλες, οι οποίες σχηματίζουν διπλή έλικα.

Τα είδη του RNA είναι τρία: το αγγελιαφόρο, το μεταφορικό και το ριβοσωμικό και παίζουν πρωτεύοντα ρόλο στη σύνθεση των πρωτεϊνών.


Η πρωτοταγής δομή των νουκλεϊνικών οξέων

Ας δούμε τώρα με ποιο τρόπο δημιουργούνται τα νουκλεϊνικά οξέα από τα απλούστερα μονομερή τους, τα νουκλεοτίδια.

Το υδροξύλιο του 3ου ατόμου άνθρακα του σακχάρου του πρώτου νουκλεοτιδίου ενώνεται με τη φωσφορική ομάδα του 5ου ατόμου άνθρακα του σακχάρου του δεύτερου νουκλεοτιδίου (ο δεσμός αυτός ονομάζεται φωσφοδιεστερικός). Με τον ίδιο τρόπο προστίθενται στην αλυσίδα το τρίτο, το τέταρτο νουκλεοτίδιο κ.ο.κ. Το αποτέλεσμα είναι να δημιουργηθεί μία πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα.


Η δευτεροταγής δομή του DNA - Η διπλή έλικα

Το μοντέλο των Watson και Crick βασίστηκε στο σχηματισμό εξειδικευμένων ζευγών βάσεων μεταξύ αδενίνης - θυμίνης και γουανίνης - κυτοσίνης με δεσμούς υδρογόνου.

Οι δύο ερευνητές διαπίστωσαν ότι:

•           Το μόριο του DNA αποτελείται από δύο ξεχωριστές πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες, οι οποίες περιστρέφονται η μία γύρω από την άλλη και φτιάχνουν μία διπλή έλικα.

•           Κάθε αλυσίδα αποτελείται από ένα σκελετό σακχάρου- φωσφορικού οξέος από τον οποίο προεξέχουν οι βάσεις. O σκελετός σακχάρου - φωσφορικού οξέος βρίσκεται στο εξωτερικό της έλικας, ενώ οι αζωτούχες βάσεις στο εσωτερικό.

•           Δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται μεταξύ μίας αδενίνης στη μία αλυσίδα και μίας θυμίνης στην άλλη αλυσίδα, καθώς και μίας γουανίνης στη μία αλυσίδα και μίας κυτοσίνης στην άλλη. Τα ζεύγη αδενίνης - θυμίνης συγκρατούνται μεταξύ τους με δύο δεσμούς υδρογόνου, ενώ τα ζεύγη γουανίνης - κυτοσίνης με τρεις. Οι βάσεις αδενίνη - θυμίνη και γουανίνη-κυτοσίνη είναι μεταξύ τους συμπληρωματικές.

•           Εάν η αλληλουχία των βάσεων σε ένα τμήμα της μίας αλυσίδας είναι για παράδειγμα ATGCAC, η αλληλουχία στο αντίστοιχο τμήμα της απέναντι αλυσίδας θα είναι TACGTG. Οι δύο αλυσίδες είναι μεταξύ τους συμπληρωματικές.

•           Στη διπλή έλικα η μία αλυσίδα έχει κατεύθυνση 5' → 3' ενώ η συμπληρωματική της έχει κατεύθυνση 3' → 5'. Οι δύο αλυσίδες είναι μεταξύ τους αντιπαράλληλες. Κάθε άκρο μίας διπλής έλικας αποτελείται από το 5' άκρο της μίας αλυσίδας και το 3' άκρο της άλλης.

•           Η διπλή έλικα έχει διάμετρο 2 nm. Δύο διαδοχικές βάσεις απέχουν η μία από την άλλη 0.34 nm. Κάθε πλήρης στροφή της έλικας περιλαμβάνει 10 ζεύγη βάσεων και έχει μήκος 3.4 nm.


Δευτεροταγής δομή του RNA

Σε αντίθεση με το DNA, τα RNA μόρια είναι ουσιαστικά μονόκλωνα με την έννοια ότι δεν αποτελούνται από συμπληρωματικές αλυσίδες. Μέσα όμως στα μονόκλωνα μόρια παρουσιάζονται αναδιπλώσεις που οφείλονται σε δεσμούς ή που αναπτύσσονται μεταξύ συμπληρωματικών βάσεων. Στις περιοχές αυτές (όπου το RNA γίνεται δίκλωνο) η δομή θυμίζει την Α-μορφή του DNA και ονομάζεται A-RNA ή RNA-11 επειδή για μία πλήρης στροφή απαιτούνται 11 ζεύγη βάσεων, το βήμα της έλικας είναι 30A και τέλος, τα επίπεδα των ζευγών βάσεων εμφανίζουν κλίση περίπου 14°. Επίσης, τα RNA-DNA υβρίδια σχηματίζουν έλικα Α-μορφής. Τα RNA μόρια είναι πολύ πιο ετερογενή από το DNA και η ετερογένεια στη δομή αντανακλά την ετερογένεια στη λειτουργικότητα όπου συναντάμε από απλά μεταφορικά μόρια μέχρι μόρια RNA με ενζυμική δράση.

To RNA

Υπάρχουν τρεις τύποι RNA. Η σημασία τους, για την πρωτεϊνοσύνθεση είναι μεγάλη. Σε αντίθεση με το DNA, τα μόρια του RNA αποτελούνται από μία αλυσίδα, είναι δηλαδή μονόκλωνα. Οι βάσεις του RNA είναι: αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη και ουρακίλη, ενώ το σάκχαρο είναι η ριβόζη.

Τα τρία είδη RNA είναι τα ακόλουθα:

•           Αγγελιαφόρο RNA (messenger RNA - mRNA).

Το αγγελιαφόρο (ή μήνυμα) RNA συντίθεται στον πυρήνα. Είναι συμπληρωματικό του κομματιού DNA από το οποίο προκύπτει. Ο ρόλος του είναι να μεταφέρει τις γενετικές πληροφορίες από το DNA στα ριβοσώματα, όπου εκεί θα συντεθεί η πρωτεΐνη.

•           Μεταφορικό RNA (transfer RNA - tRNA).

Η λειτουργία του tRNA είναι να μεταφέρει, κατά τη διάρκεια της πρωτεϊνοσύνθεσης, τα κατάλληλα αμινοξέα από το κυτταρόπλασμα στα ριβοσώματα. Εφόσον, υπάρχουν είκοσι διαφορετικά αμινοξέα υπάρχουν διαφορετικοί τύποι tRNA, τουλάχιστον ένας για κάθε αμινοξύ. Κάθε tRNA αναγνωρίζει και μεταφέρει ειδικά ένα μόνο αμινοξύ. Το μόριο του tRNA παρουσιάζει μία χαρακτηριστική δομή με περιοχές που αναδιπλώνονται, η οποία οφείλεται στη δημιουργία ζευγών μεταξύ συμπληρωματικών βάσεων, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.7.

•           Ριβοσωμικό RNA (ribosomal RNA - rRNA).

Το ριβοσωμικό RNA αποτελεί μαζί με τις ριβοσωμικές πρωτεΐνες δομικό συστατικό των ριβοσωμάτων, όπου επιτελείται η πρωτεϊνοσύνθεση.

Όλοι οι τύποι RNA του κυττάρου συντίθενται με καλούπι το DNA. To RNA εκτός του ρόλου που επιτελεί στην πρωτεϊνοσύνθεση, απαντάται και ως γενετικό υλικό ορισμένων ιών (ο ιός του AIDS, όπως και διάφοροι ογκογόνοι ιοί που προκαλούν κακοήθεις όγκους).


Πρωτεϊνοσύνθεση

Η πρωτεϊνοσύνθεση αποτελεί ζωτικής σημασία συνεχή δραστηριότητα όλων των κύτταρων, για ορισμένους δε τύπους κυττάρων την κύρια λειτουργία τους.

Τα κυτταρικά οργανίδια που, κυρίως, συμμετέχουν στην πρωτεϊνοσύνθεση είναι ο πυρήνας (DNA) και τα ριβοσώματα.

Το DNA περιέχει κωδικοποιημένο το σύνολο των πληροφοριών που απαιτούνται για τη σύνθεση των αναγκαίων για κάθε κύτταρο πρωτεϊνών.

Η διαδικασία λοιπόν της πρωτεϊνοσύνθεσης ξεκινά από τον πυρήνα με την μεταγραφή του DNA με τη διαδικασία της σύνθεσης του ειδικού συμπληρωματικού μορίου, του αγγελιοφόρου RNA (mRNA). Στη συνέχεια το μόριο του mRNA εισέρχεται στο κυτταρόπλασμα και συνδέεται με τα ριβοσώματα, τα οποία αποτελούν την έδρα της πρωτεϊνοσύνθεσης. Η πρωτεϊνοσύνθεση λαμβάνει χώρα μέσω αλληλεπίδρασης ριβοσωμάτων, RNA και αδρού ενδοπλασματικού δικτύου.

Η διαδικασία της πρωτεϊνοσύνθεσης αρχίζει στο κυτοσόλιο, όπου το αγγελιοφόρο (messenger) RNA προσκολλάται στα ελεύθερα ριβοσώματα και με το μηχανισμό της μετάφρασης παράγεται το νέο πεπτίδιο. Το πρώτο τμήμα της πρωτεΐνης που σχηματίζεται αποτελεί την αλληλουχία - σηματοδότη (signal sequence), η οποία είναι διαφορετική για τις πρωτεΐνες που προορίζονται να παραμείνουν στο κυτοσόλιο, σε σχέση με εκείνες που θα εισέλθουν στις μεμβράνες του κυττάρου ή θα εκκριθούν.

Τα ριβοσώματα, που παράγουν πρωτεΐνες με αλληλουχία-σηματοδότη μεμβρανικών ή εκκρινόμενων πρωτεϊνών, προσκολλώνται στην επιφάνεια του ΕΔ, όπου συνεχίζεται και ολοκληρώνεται η διαδικασία της μετάφρασης του νέου πεπτιδίου.

Η πρωτεϊνοσύνθεση στο αδρό ΕΔ έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή μεμβρανικών πρωτεϊνών που προσκολλώνται στη μεμβράνη του ΕΔ ή την παραγωγή πρωτεϊνικών προϊόντων που προορίζονται για έκκριση ή κατακράτηση, τα οποία εισέρχονται στην κοιλότητα του ΕΔ. Οι παραγόμενες νέες πρωτεΐνες ακολούθως εισέρχονται στο λείο ΕΔ για να μεταφερθούν στη συσκευή Golgi.

Ο μηχανισμός της αντιγραφής του DNA είναι ημισυντηρητικός, δηλαδή οι δύο αλυσίδες της διπλής έλικας ξετυλίγονται και καθεμιά λειτουργεί σαν καλούπι για τη σύνθεση μιας νέας συμπληρωματικής αλυσίδας. Κάθε θυγατρική διπλή έλικα που προκύπτει αποτελείται από μία μητρική και από μία νέα αλυσίδα. Η αντιγραφή του DNA είναι μια πολύπλοκη ενζυμική πορεία, που καταλύεται από πολλά ένζυμα. Σε κάθε τμήμα DNA που γίνεται η αντιγραφή, η σύνθεση της μιας αλυσίδας είναι συνεχής, ενώ της άλλης ασυνεχής. Η έναρξη της αντιγραφής γίνεται από ένα σημείο του DNA στους προκαρυωτικούς οργανισμούς και από πολλά στους ευκαρυωτικούς.

Ο μηχανισμός με τον οποίο η πληροφορία που υπάρχει στο DNA καθορίζει την αλληλουχία των αμινοξέων στις πρωτεΐνες, περιλαμβάνει δύο διαδικασίες: τη μεταγραφή και τη μετάφραση.

Η μεταγραφή καταλύεται από την RNA πολυμεράση και γίνεται με κατεύθυνση 5'-> 3'. Κατά τη μεταγραφή παράγονται τρία είδη RNA: το mRNA, το tRNA και το rRNA στους προκαρυωτικούς και ευκαρυωτικούς οργανισμούς. Επιπρόσθετα μόνο στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς παράγεται και snRNA.

Στους προκαρυωτικούς οργανισμούς η μεταγραφή και η μετάφραση γίνονται σχεδόν ταυτόχρονα.

Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς τα περισσότερα γονίδια, που αποτελούνται από κωδικές (εξώνια) και μη κώδικες (εσώνια) περιοχές, μεταγράφονται σε ένα πρόδρομο mRNA, το οποίο υφίσταται τη διαδικασία της ωρίμανσης: τα εσώνια αποκόπτονται και τα εξώνια συρράπτονται. Το ώριμο mRNA, που αποτελείται μόνο από τα εξώνια, μεταφέρεται στο κυτταρόπλασμα, όπου γίνεται η πρωτεϊνοσύνθεση.

Η αντιστοίχιση των νουκλεοτιδίων του mRNA με τα αμινοξέα των πρωτεϊνών γίνεται μέσω του γενετικού κώδικα, και κάθε κωδικόνιο-τριπλέτα του mRNA αντιστοιχεί σε ένα αμινοξύ.

Η πρωτεϊνοσύνθεση έχει τρία στάδια: την έναρξη την επιμήκυνση και τη λήξη. Κατά την έναρξη το mRNA συνδέεται με το ριβόσωμα και το πρώτο tRNA που μεταφέρει το αμινοξύ μεθειονίνη προσδένεται με το αντικωδικόνιό του στο κωδικόνιο έναρξης. Κατά την επιμήκυνση τα tRNA μεταφέρουν τα αμινοξέα που αντιστοιχούν στα κωδικόνια του mRNA, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με πεπτιδικούς δεσμούς. Έτσι, αναπτύσσεται η πολυπεπτιδική αλυσίδα. Στο κωδικόνιο λήξης σταματά η πρωτεϊνοσύνθεση και απελευθερώνεται η πολυπεπτιδική αλυσίδα. Πολλά ριβοσώματα κινούνται κατά μήκος του mRNA ταυτόχρονα, καθώς αυτό μεταφράζεται, και αποτελούν το πολύσωμα.


Μεθυλίωση DNA

Μεθυλίωση DNA είναι ένας τύπος χημικής τροποποίησης του DNA που μπορεί να κληρονομηθεί χωρίς αλλαγή της ακολουθίας DNA. Υπό αυτήν τη μορφή, είναι ένας επιγενετικός κώδικας.

Η μεθυλίωση DNA περιλαμβάνει την προσθήκη π.χ. α μεθυλικής ομάδας στο DNA - παραδείγματος χάριν, στον αριθμό 5 του άνθρακα στην  κυτοσίνη.

Η μεθυλίωση DNA συμβαίνει στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς. Περίπου 1% των βάσεων DNA υποβάλλονται σε μεθυλίωση. Στους ενήλικους στους σωματικούς ιστούς γίνεται μεθυλίωση DNA, χαρακτηριστικά στο τμήμα CpG του δινουκλεοτιδίου που αυτό εμποδίζει την μεταγραφή. Η μεθυλίωση του DNA μπορεί να γίνει και από τα καρκινικά κύτταρα για να μειωθεί η έκφραση των ογκοκατασταλτικών γονιδίων και άλλων ρυθμιστικών παραγόντων. Για παράδειγμα, η μεθυλίωση του γονιδίου των οιστρογονικών υποδοχέων παρατηρείται σε καρκίνο μαστού με αρνητικούς ορμονικούς υποδοχείς. Το ξεδίπλωμα των ιστνών που θα συνεργαστούν για την μεταγραφή συμβαίνει από χημικές τροποποιήσεις όπως η ακετυλίωση της ιστόνης. Μεσάζοντες της μεταγραφής όπως η πρωτεϊνη RB, μπορεί να προκαλούν ακετυλίωση των ιστονών. Δεδομένου του σύνθετου ρόλου που παίζει  η ακετυλίωση στην φυσιολογική κυτταρική ανάπτυξη, οι αναστολείς της ακετυλίωσης των ιστονών εξετάζονται σαν πιθανοί θεραπευτικοί παράγοντες για τον καρκίνο.

Στους ανθρώπους, η διαδικασία της μεθυλίωσης DNA πραγματοποιείται από τρία ένζυμα (DNMT1, DNMT3a, DNMT3b). Έχει αναπτυχθεί ένα  αντιαγγελιαφόρο RNA για θεραπεία που στοχεύει τα ένζυμα DNMTs με παρεμπόδιση της μετάφρασης.

Το ανθρώπινο γονιδίωμα περιέχεται σε 23 χρωμοσώματα που το καθένα περιέχει DNA με 100 x106 νουκλεοτίδια. Όλο το ανθρώπινο γονιδίωμα περιέχει 3 δισεκατομμύρια νουκλεοτίδια που κωδικοποιούν 30.000-40.000 γονίδια

Η στοίχιση των γονιδίων στα χρωμοσώματα δεν είναι τυχαία. Σε μερικές περιπτώσεις το ίδιο κομμάτι DNA θα περιέχει 2 γονίδια που κωδικοποιούνται από τα ίδια νουκλεοτίδια αλλά μεταγράφονται σε διαφορετικής φάσης τριπλέτες κωδικόνιων. Αυτό είναι σύνηθες φαινόμενο στους ιούς για να αυξάνουν τη γενετική τους ικανότητα.

Τα περισσότερα ανθρώπινα κύτταρα περιέχουν ένα πλήρες αντίγραφο DNA. Τα ώριμα ερυθροκύτταρα χάνοντας τον πυρήνα τους δεν περιέχουν DNA. Tα ώριμα λεμφοκύτταρα χάνουν μεγάλα κομμάτια DNA και κωδικοποιούν τις ανοσοσφαιρίνες ή τα γονίδια των υποδοχέων των Τ κυττάρων για να δημιουργήσουν γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεϊνες για την αναγνώριση των αντιγόνων, που δημιουργούν την ανοσολογική απόκριση.

Σε κάθε ιστό μόνο μόνο ένας μικρός αριθμός γονιδίων εκφράζεται. Δηλαδή η έκφραση των γονιδίων είναι που προσδιορίζει τις διαφορές στην κυτταρική διαφοροποίηση.

Έτσι ο έλεγχος της έκφρασης γονιδίων είναι ένας σημαντικός ρυθμιστής της αύξησης και της ανάπτυξης, όσο και της διατήρησης της ειδικότητας του ιστού.

Διαβάστε, επίσης,

Ιατρική του μέλλοντος

Τεστ σάλιου για τον καρκίνο

Επιδημιολογία του καρκίνου

Mοριακός χάρτης του καρκίνου του μαστού

Τα πεπτίδια στη θεραπεία του καρκίνου

To τεστ που δείχνει πόσο και πώς θα ζήσετε

Μοριακή ανάλυση στον καρκίνο εντέρου

Μοριακή ανάλυση σε γλοιοβλάστωμα

Που μπορεί να εφαρμοστεί το μοριακό προφίλ

Γνωστοί παράγοντες που προκαλούν καρκίνο

www.emedi.gr

Γράφει η
Δρ Σάββη Μάλλιου Κριαρά
Ειδικός Παθολόγος- Ογκολόγος, MD, PhD

Διαβάστε, περισσότερα, για τη Σάββη Μάλλιου Κριαρά

 

 

 

Διαβάστηκε 8413 φορές Τελευταία τροποποίηση στις Τρίτη, 17 Ιουνίου 2014 12:50
Σαββούλα Μάλλιου Κριαρά

Αυτή η διεύθυνση ηλεκτρονικού ταχυδρομείου προστατεύεται από τους αυτοματισμούς αποστολέων ανεπιθύμητων μηνυμάτων. Χρειάζεται να ενεργοποιήσετε τη JavaScript για να μπορέσετε να τη δείτε.