Двойная спираль

Форма ДНК

ДНК выглядит как извитая лестница: форму, которую ученые называют двойной спиралью.

Две длинные стороны лестницы называются сахарофосфатной спинкой. Они состоят из чередующихся сахаров (дезоксирибозы) и фосфатных групп и держат всю структуру вместе.

Шаги лестницы - это важная часть. Каждый шаг состоит из двух основ, которые парятся. Есть четыре основы:

- A (аденин)

- T (тимин)

- C (цитозин)

- G (гуанин)

Здесь критическое правило: A всегда парится с T, а C всегда парится с G. В каждом виде. Эти называются парами основ, а одна основа плюс ее сахар и фосфат называется нуклеотидом.

Строка ДНК человека может выглядеть так: ATCGGCTAA. Если вы знаете одну сторону, вы автоматически знаете другую: потому что A парится с T, и C парится с G.

Кто ее обнаружил?

Гонка за обнаружением структуры ДНК

В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик опубликовали структуру ДНК. Они получили Нобелевскую премию за это в 1962 году.

Но они не могли этого сделать без Розиалинд Франклин.

Франклин была блестящим химиком в Королевском колледже Лондона. Она использовала рентгеновскую кристаллографию: направляя рентгеновские лучи на кристаллы ДНК и читая узоры, которые они создавали: для получения Фото 51, самого четкого изображения структуры ДНК, которое когда-либо видели.

Ее коллега Морис Уилькинс показал Фото 51 Уотсону без ведома и разрешения Франклин. Уотсон позже написал, что момент, когда его увидел, структура двойной спирали стала очевидной.

Франклин никогда не получала Нобелевскую премию. Она умерла от рака яичников в 1958 году в возрасте 37 лет: возможно, из-за ее многочисленных рентгеновских работ: и Нобелевские премии не присуждаются посмертно. Уотсон и Крик практически не признали ее вклад в тот момент.

Сегодня ученые признают, что экспериментальная работа Франклин была ключевой. Ее не признали заслугами в течение ее жизни, и ее история является напоминанием о том, что наука делается людьми: и люди не всегда справедливы.

Как ДНК копирует себя

Копирование кода

Каждый раз, когда клетка делится: чтобы заживить рану, чтобы расти или чтобы заменить изношенные клетки: она сначала должна сделать точную копию всего своего ДНК. Этот процесс называется репликацией.

Вот как это работает:

1. Энзим, называемый геликаза, разрывает двойную спираль, разрывая водородные связи между парами оснований. Он буквально разделяет лестницу посередине.

2. Другой энзим, называемый ДНК-полимераза, читает каждую открытую нить и строит новую соответствующую нить, следуя правилам парирования баз (A с T, C с G).

3. Результат: две идентичные копии исходного ДНК. Каждая копия имеет одну старую нить и одну новую нить.

Ваше тело делает это примерно 3,8 миллиона раз в секунду. И делает это почти всегда правильно: ДНК-полимераза делает одну ошибку примерно на миллиард баз, копируемых. Когда она делает ошибку, другие энзимы обычно обнаруживают и исправляют ошибку.

Но не всегда. Когда ошибка проскакивает, она становится мутацией. Мы поговорим о том, почему это важно, вскоре.

Транскрипция и трансляция

Как ДНК строит вещи

ДНК не строит ваше тело напрямую. Она действует через промежуточный продукт, называемый РНК (рибонуклеиновой кислотой).

Процесс имеет два основных шага:

Шаг 1: Транскрипция (ДНК → мРНК)

Отрезок ДНК (ген) копируется в молекулу, называемую мессенджерной РНК (мРНК). Представьте, что это деление одной страницы из огромного инструкции. Оригинал остается в ядре в безопасности; копия отправляется на производственную площадку.

Шаг 2: Трансляция (мРНК → Белок)

Рибосомы: машины для строительства белков в клетке читают мРНК, читая три буквы за раз. Каждая группа из трех букв называется кодоном. Каждый кодон указывает на один аминокислоту. Сцепив аминокислоты вместе, вы получаете белок.

Например, кодон AUG кодирует аминокислоту метионин и также сигнализирует: 'начинаем строить здесь'. Кодон UAA сигнализирует: 'остановить'.

Один ген может кодировать белок с сотнями аминокислот. Этот белок может стать ферментом, переваривающим ваше питание, молекулой гемоглобина, перевозящим кислород в вашей крови, или волокном кератина, составляющим вашу волосы.

Один ген → одна мРНК → один белок → одна роль в вашем теле. (Это упрощено: реальность более запутанная, но это отражает основную логику.)

Когда гены мутант

Что происходит, когда код меняется?

Мутация - это любое изменение в последовательности ДНК. Это может быть одна основа, замененная на другую, основа удалена или добавлена дополнительные основы.

Некоторые мутации ничего не делают: кодон все еще кодирует ту же аминокислоту (в генетическом коде есть избыточность).

Некоторые мутации изменяют один аминокислоту, но белок все еще работает. Некоторые изменяют критическую аминокислоту, и белок ломается.

И некоторые мутации: очень редко: производят белок, который работает лучше, чем оригинальный.

Почему мы все отличаемся

Откуда берутся разнообразие

Если ДНК копирует себя настолько точно, почему мы все не идентичны?

Три основных источника генетического разнообразия:

1. Мутации: Случайные ошибки копирования, УФ-излучение или химическое воздействие могут изменить основания в ДНК. Большинство мутаций нейтральны. Некоторые вредны. Несколько полезны.

2. Сексуальное размножение: Когда организмы размножаются сексуально, каждый родитель вносит половину своих генов. Конкретный набор случайный. Вы делитесь 50% ДНК с каждым родителем, но какой 50% вы получили, это генетическая лотерея. Вот почему братья похожи, но не идентичны.

3. Реcombination: Во время формирования яйцеклеток и сперматозоидов хромосомы физически меняются сегменты друг с другом. Это смешивает комбинации генов, которые у родителя не было.

Почему разнообразие важно

Генетическое разнообразие не является недостатком: это стратегия выживания. Популяция, в которой каждый индивид генетически идентичен, уязвима. Одна болезнь могла бы уничтожить всю группу, потому что у никого нет сопротивления.

Но в генетически разнообразной популяции некоторые индивиды будут иметь мутации, которые случайно делают их устойчивыми. Они выживают, размножаются и передают эту устойчивость. Это естественный отбор: двигатель эволюции.

Каждая адаптация, о которой можно подумать: скорость cheetah, запас влаги у кактуса, человеческий мозг: все началось с случайной мутации, которая оказалась полезной.

CRISPR и редактирование генов

Переписывание кода жизни

На протяжении миллиардов лет изменения ДНК происходили медленно: через случайные мутации и естественный отбор.

Это изменилось в 2012 году.

Дженнифер Доудна и Эммануэль Карпентье обнаружили, что бактериальная система защиты под названием CRISPR-Cas9 может быть перепрограммирована для того, чтобы разрезать ДНК в любом точном месте. Они выиграли Нобелевскую премию по химии в 2020 году.

CRISPR работает как молекулярные ножницы с GPS. Вы даете ему рибонуклеиновую кислоту (RNA) с указанием последовательности ДНК, которую вы хотите отредактировать, и белок Cas9 разрезает ДНК в этом точном месте. Затем клеточная собственная аппаратура чинит разрез, и вы можете вставить исправленную генетическую информацию, пока это происходит.

Это революционно. Ученые уже использовали CRISPR для:

- Излечить болезнь ссаженной трещины крови в клинических испытаниях, редактируя генетическую информацию клеток крови пациентов

- Создать культуры растений, устойчивых к болезням без традиционного скрещивания

- Разработать потенциальные лекарства от мышечной дистрофии, некоторых видов рака и ВИЧ

Но CRISPR также вызывает огромные этические вопросы.

В 2018 году китайский ученый Хэ Цзянуй объявил, что использовал CRISPR для редактирования ДНК эмбрионов человека: у девочек-близнецов были модифицированы гены. Мировая научная община осудила это как безрассудство и преждевременность. Хэ был приговорен к трем годам тюремного заключения.

Ядро проблемы: редактирование ДНК эмбриона меняет каждую клетку в результате человека, и эти изменения передаются детям, и детям их детей. Мы говорим о постоянном изменении генетического фонда человечества.

Генетическое тестирование вызывает свои собственные вопросы. Сегодня вы можете высморкнуть в тюбик и узнать свой риск для сотен болезней. Но должны ли работодатели или страховые компании иметь доступ к этой информации? Должны ли родители иметь возможность выбирать эмбрионы на основе характеристик, таких как интеллект или атлетичность?

Должны ли мы редактировать человеческую ДНК?

Ваш черед аргументировать

Нет единственного правильного ответа на эти вопросы. Но есть хорошо аргументированные ответы и плохо аргументированные.

Хорошее аргументирование учитывает оба потенциального преимущества и риска, использует доказательства и признает сложность вопроса.

Что запомните?

Последнее размышление

Вы начали эту лекцию с вопроса о кошках.

Теперь вы знаете, что ответ находится в искривленной лестнице из четырех химических букв: код так элегантный, что он управляет всем живым на планете, и так мощный, что мы только начинаем учиться его изменять.

Наука о ДНК развивается быстрее, чем в любое другое время в истории человека. Ученики, которые сейчас изучают эту информацию, будут принимать решения о том, как ее использовать.