Подвійна спіраль

Форма ДНК

ДНК виглядає як скручена драбина: форму, яку вчені називають подвійною спіраллю.

Дві довгі сторони драбини називаються цукрово-фосфатним каркасом. Вони утворюються чергуванням молекул цукру (дезоксирибози) та фосфатних груп, і вони тримають усю структуру разом.

Перекладини драбини — це найважливіша частина. Кожна перекладина утворюється двома основами, які сполучаються. Існує чотири основи:

- A (аденін)

- T (тимін)

- C (цитозин)

- G (гуанін)

Ось ключове правило: A завжди сполучається з T, а C завжди сполучається з G. Завжди. У всіх видів. Це називається парою основ, а одна основа разом із цукром і фосфатом називається нуклеотидом.

Відрізок людської ДНК може виглядати так: ATCGGCTAA. Якщо ви знаєте одну сторону, ви автоматично знаєте іншу: бо A сполучається з T, а C сполучається з G.

Хто це відкрив?

Перегони за відкриття структури ДНК

У 1953 році Джеймс Вотсон і Френсіс Крік опублікували структуру ДНК. Вони отримали Нобелівську премію за це у 1962 році.

Але вони не змогли б зробити це без Розалінд Франклін.

Франклін була видатною хімікинею в Королівському коледжі Лондона. Вона використовувала рентгенівську кристалографію: направляючи рентгенівські промені на кристали ДНК і зчитуючи візерунки, які вони створювали, щоб отримати Фото 51, найчіткіше зображення структури ДНК, яке будь-коли бачили.

Її колега Моріс Вілкінс показав Фото 51 Вотсону без відома чи дозволу Франклін. Вотсон пізніше писав, що в момент, коли він побачив його, структура подвійної спіралі стала очевидною.

Франклін ніколи не отримала Нобелівську премію. Вона померла від раку яєчників у 1958 році у віці 37 років: можливо, спричиненого її тривалою роботою з рентгенівськими променями: і Нобелівські премії не присуджуються посмертно. Вотсон і Крік майже не визнали її внесок у той час.

Сьогодні вчені визнають, що експериментальна робота Франклін була необхідною. Вона була позбавлена ​​визнання за життя, і її історія є нагадуванням, що наука робиться людьми: а люди не завжди справедливі.

Як ДНК копіює себе

Копіювання коду

Кожного разу, коли клітина ділиться: щоб загоїти рану, щоб рости, або щоб замінити зношені клітини: вона спочатку повинна зробити точну копію всієї своєї ДНК. Цей процес називається реплікацією.

Ось як це працює:

1. Фермент під назвою геліказа розплітає подвійну спіраль, розриваючи водневі зв’язки між парами основ. Вона буквально розрізає драбину посередині.

2. Інший фермент під назвою ДНК-полімераза зчитує кожну відкриту ланцюг і будує нову відповідну ланцюг, дотримуючись правил спарювання основ (A з T, C з G).

3. Результат: дві ідентичні копії оригінальної молекули ДНК. Кожна копія має одну стару ланцюг і одну нову ланцюг.

Ваше тіло робить це приблизно 3,8 мільйона разів на секунду. І робить це правильно майже кожного разу: ДНК-полімераза припускається приблизно однієї помилки на мільярд скопійованих основ. Коли ж вона все-таки припускається помилки, інші ферменти зазвичай її виявляють і виправляють.

Але не завжди. Коли помилка прослизає крізь, вона стає мутацією. Ми поговоримо про те, чому це має значення, незабаром.

Транскрипція та трансляція [BLOCK_TYPE genes_proteins/transcription]

Як ДНК створює речі

[BLOCK_TYPE genes_proteins/transcription]

ДНК не будує ваше тіло безпосередньо. Вона працює через посередника, який називається РНК (рибонуклеїнова кислота). [BLOCK_TYPE genes_proteins/transcription]

Процес складається з двох основних етапів:

Крок 1: Транскрипція (ДНК → мРНК)

Ділянка ДНК (a ген) копіюється в молекулу, яка називається месенджерна РНК (мРНК). Уявіть це як створення фотокопії однієї сторінки з величезної інструкції. Оригінал залишається в безпеці в ядрі; копія виходить на «виробничий поверх».

Крок 2: Трансляція (мРНК → Білок)

Рибосоми: білоксинтезуючі машини клітини: зчитують мРНК по три літери за раз. Кожна група з трьох літер називається кодоном. Кожен кодон визначає одну амінокислоту. З’єднуючи амінокислоти, ви отримуєте білок.

Наприклад, кодон AUG кодує амінокислоту метіонін і також сигналізує «почати синтез тут». Кодон UAA сигналізує «стоп».

Один ген може кодувати білок, що складається з сотень амінокислот. Цей білок може стати ферментом, який перетравлює їжу, молекулою гемоглобіну, що переносить кисень у крові, або кератиновим волокном, з якого складається ваше волосся.

Один ген → одна мРНК → один білок → одна функція в організмі. (Це спрощена модель: реальність складніша, але вона передає основну логіку.)

Коли гени мутують

Що відбувається, коли змінюється код?

Мутація — це будь-яка зміна в послідовності ДНК. Це може бути заміна однієї основи на іншу, видалення основи або вставка додаткових основ.

Деякі мутації не мають ефекту: кодон все одно кодує ту саму амінокислоту (генетичний код має надлишковість). Такі мутації називаються тихими мутаціями.

Деякі мутації змінюють одну амінокислоту, але білок все одно працює. Деякі змінюють критичну амінокислоту, і білок перестає працювати.

А деякі мутації: дуже рідко: призводять до появи білка, який працює краще, ніж оригінал.

Чому ми всі відрізняємося

Звідки береться варіація

Якщо ДНК копіює себе так точно, чому ми не всі однакові?

Три основні джерела генетичної варіації:

1. Мутації: Випадкові помилки копіювання, ультрафіолетове випромінювання або хімічний вплив можуть змінювати основи в ДНК. Більшість мутацій нейтральні. Деякі шкідливі. Кілька корисні.

2. Статеве розмноження: Коли організми розмножуються статевим шляхом, кожен з батьків передає половину своєї ДНК. Конкретна комбінація є випадковою. Ви успадковуєте 50% ДНК від кожного з батьків, але які саме 50% ви отримали — це генетична лотерея. Саме тому брати і сестри схожі, але не ідентичні.

3. Рекомбінація: Під час формування яйцеклітин і сперматозоїдів хромосоми фізично обмінюються сегментами між собою. Це перемішує комбінації генів у способи, яких не було в жодного з батьків.

Чому варіація важлива

Генетична варіація — це не вада: це стратегія виживання. Популяція, де кожна особина генетично ідентична, є вразливою. Одна хвороба може знищити всю групу, оскільки ніхто не має стійкості.

Але в генетично різноманітній популяції деякі особини матимуть мутації, які випадково надають їм стійкість. Вони виживають, розмножуються і передають цю стійкість. Це природний відбір: двигун еволюції.

Кожна адаптація, про яку ви можете подумати: швидкість гепарда, здатність кактуса зберігати воду, людський мозок — починалася як випадкова мутація, яка виявилася корисною.

CRISPR та редагування генів

Переписування коду життя

Протягом мільярдів років зміни ДНК відбувалися повільно: через випадкові мутації та природний відбір.

Це змінилося у 2012 році.

Дженніфер Даудна та Еммануель Шарпантьє відкрили, що бактеріальна система захисту під назвою CRISPR-Cas9 може бути перепрограмована для розрізання ДНК у будь-якому точному місці. Вони отримали Нобелівську премію з хімії у 2020 році.

CRISPR працює як молекулярні ножиці з GPS. Ви даєте їй направляючу РНК, яка відповідає послідовності ДНК, яку ви хочете редагувати, і білок Cas9 розрізає ДНК у цьому точному місці. Потім власна система репарації клітини заштриховує розріз: і ви можете вставити виправлений ген під час цього процесу.

Це революційно. Вчені вже використовували CRISPR для:

- Вилікування серповидноклітинної анемії в клінічних випробуваннях шляхом редагування стовбурових клітин крові пацієнтів

- Створення стійких до хвороб культур без традиційної селекції

- Розробки потенційних методів лікування м’язової дистрофії, певних видів раку та ВІЛ

Але CRISPR також породжує величезні етичні питання.

У 2018 році китайський науковець на ім’я Хе Цзянькуй оголосив, що використав CRISPR для редагування ДНК людських ембріонів: народилися близнючки з модифікованими генами. Глобальна наукова спільнота засудила це як необачне та передчасне. Його засудили до трьох років ув’язнення.

Основна дилема: редагування ДНК ембріона змінює кожну клітину в організмі людини, і ці зміни передаються її дітям, а потім — дітям її дітей. Йдеться про постійну зміну людського генофонду.

Генетичне тестування породжує власні питання. Сьогодні можна плюнути в пробірку та дізнатися про ризик сотень захворювань. Але чи повинні роботодавці або страхові компанії мати доступ до цієї інформації? Чи мають батьки право обирати ембріони на основі рис, таких як інтелект або атлетизм?

Чи варто редагувати людську ДНК?

Твоя черга аргументувати

На ці питання немає єдиної правильної відповіді. Але є добре обґрунтовані відповіді та погано обґрунтовані відповіді.

Сильний аргумент враховує як потенційні переваги, так і ризики, використовує докази та визнає складність питання.

Що ви запам'ятаєте?

Одна остання думка

Ви почали цей урок із запитання про котів.

Тепер ви знаєте, що відповідь міститься в закрученій драбині з чотирьох хімічних літер: у коді, настільки витонченому, що він керує кожною живою істотою на планеті, і настільки потужному, що ми лише починаємо вчитися його переписувати.

Наука про ДНК розвивається швидше, ніж будь-коли в історії людства. Студенти, які вивчають цей матеріал зараз, будуть тими, хто прийматиме рішення щодо того, як його використовувати.