DNA (2)

DNA
Desoksüribonukleiinhape ehk DNA on enamikus elusorganismides pärilikku informatsiooni säilitav aine, keemiliselt desoksüriboosist, lämmastikalustest ja fosforhappejääkidest koosnev polümeer. Puhas DNA on happeline, toatemperatuuril tahke, suhteliselt pehme, värvitu või õrnalt violetja varjundiga, vees hästi lahustuv aine. DNA on polümeer, mille elementaarlülideks on desoksüribonukleotiidid. Harilikult koosneb DNA adeniinist (A), guaniinist (G), tsütosiinist (C) ja tümiinist (T). Polümeer on moodustunud sidemetega nukleotiidi fosforhappejääkide ja desoksüribooside 3' süsinikuaatomite vahel. Seega moodustavad fosforhappejäägid ja desoksüriboosid DNA ahela nn. suhkur- fosfaat selgroo, mille küljes paiknevad glükosiidsidemetega erinevad lämmastikalused. Lämmastikaluste vabad hüdroksüülrühmad, aminorühmad ja hapniku aatomid moodustavad kergesti omavahelisi vesiniksidemeid. Konkreetsete nukleotiidide järjestust üksikus DNA ahelas nimetatakse DNA primaarstruktuuriks. Enamasti esineb DNA elusorganismides kahe antiparalleelse omavahel komplementaarse ahela kujul. Sellisel juhul moodustuvad vastavate lämmastikaluste vahele kõige stabiilsemad vesiniksidemete rühma ja DNA ahelad pöörduvad nende vahelise pikitelje ümber kaksikheeliksiks, nii et lämmastikaluste paarid jäävad heeliksi sisemusse. Kaksikheeliksit stabiliseerivad omavahel komplanaarselt paiknevate lämmastikaluste vahelised elektrostaatilised jõud ja fosfaatrühmadega ioonilisi sidemeid moodustavad katioonid. Kuna igas nukleotiidis on kuus üksiksidet, mille ümber võib toimuda molekuli osade pöörlemine, esineb DNA mitme strukturaalse isomeerina.
DNA struktuuri bioloogiline tähtsus
Elusorganismides esineval DNA struktuuril on suur bioloogiline tähtsus. Kuna DNA primaarstruktuuris võivad nukleotiidid paikneda suvalises järjestuses, võimaldab DNA nende järjestuste kaudu talletada bioloogilist informatsiooni. Kuna DNA koosneb peamiselt nelja sorti nukleotiididest (A,T,C,G), võib n nukleotiidi pikkune DNA molekul esineda 4n erinevas järjestuses. Väga oluline on ka DNA komplementaarne kaksikahelalisus. See võimaldab DNA replikatsioonil sünteesida mõlemale ahelale uue, teise ahelaga identse ahela. Ka on kaksikahelalises DNAs kogu info säilitatud "kahe eksemplarina", mis võimaldab avastada ning parandada ühes ahelas esinevaid vigu.
Raku jagunemistsükkel
Rakud jagunevad sel moel, et nende koostisosade hulk suureneb ning seejärel rakk jaguneb kaheks. Hulkraksed organismid on tekkinud üksikust viljastatud munarakust paljude jagunemiste teel. Ainuraksetel organismidel tekitab iga jagunemine uue organismi. Kuid ka täiskasvanud hulkrakses organismis toimub pidevalt uute rakkude teke, et asendada vananenud ja hukkunud rakke ning et säilitada organismi status quo. Kui rakkude jagunemine mingil põhjusel lakkaks (näit. suure doosi radioaktiivse kiirguse või teatud mürkide toimel), siis inimene ( hiir , küülik jne.) sureb mõne päeva jooksul. Seega raku jagunemine on organismile eluküsimus.
Rakutsükliks nim. raku eluperioodi ühest jagunemisest teiseni. Rakutsükkel jaguneb M-faasiks (mitoos e. karüokinees + tsütokinees) ning interfaasiks (ajaliselt 90% vōi rohkem rakutsükli kestusest).
Interfaasis toimub kõikide rakukomponentide sünteesimine, et tekkivatel tütarrakkudel oleks olemas kõik vajalik uue tsükli alustamiseks. Enamiku rakukomponentide (organellid, tsütoplasma jne.) duplitseerumine ei ole täpselt kontrollitud. Piisab sellest, kui mingit organelli vōi tsütoplasma komponenti enne raku jagunemist ligikaudu kahekordistatakse ning seejärel tsütokineesi käigus jaotatakse kahe tütarraku vahel ligikaudu vōrdselt. Erandiks on DNA: tema replikatsioon toimub väga täpselt ja ta tuleb tekkivate tütarrakkude vahel ka väga täpselt jaotada. Selleks on kōrgematel eukarüootidel arenenud keerukas mitoosiaparaat. Interfaas omakorda jaguneb 3-ks:
G1-, S- ja G2-faasiks.
DNA süntees interfaasis toimub tetud kindlal ajavahemikul - seda nim. S-faasiks. S-faasi algust on vōimalik täpselt fikseerida, selleks näit. kasutatakse märgistatud tümidiini (tümidiin esineb ainult DNA-s, mitte aga RNA-s). Kasutatakse kas radioaktiivselt märgistatud tümidiini (tavaliselt triitiumiga - 3H) või tümidiini analoogi broomdesoksüuridiini (BrdU). Märgistatud tümidiini sisaldavad rakutuumad (s.t. need tuumad , kus toimub DNA replikatsioon) tuvastatakse vastavalt kas autoradiograafiliselt (preparaat kaetakse fotoemulsiooniga ja ilmutatakse) või värvimisel BrdU vastaste antikehade abil. Tavaliselt on mingis kiiresti kasvavas rakupopulatsioonis ca 30% rakke S-faasis. Eksperimentaalselt tuvastatakse seda nii, et rakkudele lisatakse lühikeseks ajaks märgistatud tümidiini ja pärast loetakse ära märkunud rakkude arv. Saadud tulemust nimetatakse märkumis indeksiks ja see peegeldab S-faasi pikkust. Mitoosi indeksiks nimetatakse aga rakkude protsenti, mis on parasjagu mitoosi faasis. Kuna M-faas on märksa lühem kui S-faas, siis on ka mitoosi indeks väiksem kui märkumis indeks.
S-faasis toimub lisaks DNA sünteesile ka intensiivne histoonide süntees, et tagada vastsünteesitud DNA pakkimine nukleosoomidesse.
M-faasi lōpu ja S-faasi alguse vahele jääb vahemik - G1-faas. (G - ingl.k. gap). Teine vahemik jääb S-faasi lōpu ja M-faasi alguse vahele ning seda nim. G2-faasiks.
G1 ja G2 faas annavad rakule vajaliku aja kasvamiseks: kui interfaas oleks ainult nii pikk, mis oleks hädavajalik DNA replikatsiooniks, siis ei jätkuks aega muude rakukomponentide kordistamiseks. G1-faasi ajal rakk seirab oma ümbrust ning omaenda suurust, ja kui aeg on küps, siis rakk alustab DNA replikatsiooni. G1 faasi lõpul on kontrollpunkt , kus rakutsükkel vajadusel peatatakse. Pärmidel nimetatakse seda "start-punktiks", kõrgematel eukarüootidel on seda nimetatud R-punktiks (restriction point) või ka lihtsalt G1-faasi kontrollpunktiks. Selle punkti läbimisel käivitatakse rakus DNA replikatsioon ja algab seega S-faas. G2-faas annab rakule vajaliku aja, mis võimaldab tal kontrollida, kas DNA replikatsioon on lõpetatud. Läbides G2-faasi kontrollpunkti, alustab rakk M-faasi. Kõrgematel eukarüootidel toimivad väliskeskonnast tulevad rakutsüklit seiskavad signaalid valdavalt G1-kontrollpunktile, seetõttu G1-faasi pikkus võib eri rakkudel olla väga erinev.
Rakutsükli kestus
Erinevate kudede, erinevate liikide ja erinevas arengustaadiumis olevate kudede rakkude jagunemistsüklite kestused varieeruvad väga suures ulatuses. Kõige kiiremini käib rakutsükkel kärbse varajase embrüo rakkudes, ca 8 minutiga. Seal toimub eriline jagunemise vorm - lõigustumine (cleavage), kus G1 ja G2 faasid praktiliselt puuduvad ning tsükli läbimine sõltub ainult S- faasist (DNA replikatsioon) ja M-faasist. Sellise jagunemistüübi juures pole vaja aega, et sünteesida uusi rakukomponente - need on juba valmis sünteesitud munaraku küpsemise ajal. Lõigustumise ajal munarakk lihtsalt jaguneb paljudeks väiksemateks rakkudeks. Standartne rakutsükkel, kus on esindatud kõik faasid, kestab märksa kauem. Kiiresti jagunevad kōrgemate eukarüootide rakud (näit. sooleepiteeli ja vereloome tüvirakud) läbivad tsükli 11-24 tunniga, sellest M-faas kestab 1-2 tundi. Täiskasvanud inimese maksarakud jagunevad keskmiselt 1 kord aastas, immuunmälu kandvad T-lümfotsüüdid vōivad jagunemata olla palju aastaid. On ka selliseid rakutüüpe, mis ei jagune enam kunagi (närvirakud, südame- ja skeletilihase rakud, silma läätse rakud jt.) Rakke, mille jagunemistsükkel on peatunud G1 faasis, nim. ka G0-faasis olevaiks.
Rakutsükli kontroll
Kuidas on kontrollitud rakutsükli faaside vaheldumine ? Mis initsieerib näiteks DNA sünteesi, et rakk alustaks S-faasi? Miks teatud hetkel G2 faasis DNA hakkab kondenseeruma ning algab M-faas? Need ja paljud teised küsimused on hakanud lahenema alles suhteliselt hiljuti , kuid lõplikust mõistmisest ollakse veel kaugel.
Rakutsükli kulgemist võib võrrelda automaatpesumasinaga, kus toimuvad teatud kindlad protsessid ranges järjestuses: võetakse sisse vesi, soojendatakse see kindla temperatuurini, pestakse teatud aeg, loputatakse ja tsentrifuugitakse kuivaks . Pesumasinal töötab kontroller, mis lülitab vastavad sündmused üksteisele järgnevalt sisse. Kuigi kontroller võiks käia konstantse kiirusega, andes iga protsessi kulgemise jaoks kindla aja, on ometi tsükli teatud punktides kontrollpunktid, kus tagasiside abil kontrollitakse ühe või teise protsessi kulgemist (mõõdetakse vee taset masinas, selle temperatuuri jne.) Järgmist etappi ei käivitata enne, kui eelmine pole lõpetatud. Täpselt samuti kulgeb ka rakutsükkel, kus teatud kriitilistes punktides kontrollitakse, kas eelnenud etapp on lõpetatud.
Suhteliselt hiljuti jõuti arusaamisele, et rakutsükli kulgemises osalevad 2 eristatavat süsteemi:
 rakutsükli eri faasidele iseloomulikke sündmusi käivitav masinavärk,
 kontrolli teostavad süsteemid.
 Rakutsüklit käivitav masinavärk kujutab endast tsükliliselt toimivat biokeemilist süsteemi. See baseerub kahele peamisele valkude perekonnale : tsükliin-sõltuvad kinaasid (CDK - cyclin dependent kinase). Need indutseerivad kindlate valkude seriini ja treoniini jääkide fosforüleerimist; ning tsükliinid, mis seostuvad CDK-dega ja kontrollivad nende aktiivsust. CDK-de ja tsükliinide komplekside moodustumine toimub tsükliliselt, need tekivad ja lagunevad igas rakutsüklis. Tsükliine on 2 põhilist klassi: mitootilised tsükliinid , mis seostuvad CDK-dega G2- faasis ja mis on vajalikud rakkudes M-faasi käivitamiseks, ning G1-tsükliinid, mis seostuvad CDK-dega G1-faasis ja on vajalikud S-faasi käivitamiseks.
Mitootilise tsükliini kontsentratsioon tõuseb järk-järgult ning seostub CDK-ga, moodustades kompleksi, mida nimetatakse ka MPF (M-phase promoting factor ). Teatud kriitilise MPF-i kontsentratsiooni juures käivituvad sündmused, mis on vajalikud mitoosi alustamiseks (kromatiin kondenseerub, tuumaümbris laguneb). MPF ise aga laguneb metafaasi- anafaasi jooksul. MPF laguneb seetõttu, et ta käivitab proteolüütilise aktiivsuse, mis teda ennast lagundab . MPF-i lagunemine on vajalik, et rakk saaks mitoosist väljuda. MPF-i toimet saab demonstreerida katse abil, kus M-faasis oleva raku ekstrakti süstida ükskõik millises faasis olevasse rakku. See käivitab antud rakus mitoosile iseloomulikud sündmused ( kromatiini kondensatsioon, tuumaümbrise lagunemine). MPF on evolutsiooniliselt konserveerunud - näit. kannuskonna (Xenopus laevis ) MPF toimib ka imetajate rakkudele. MPF kirjeldati esimesena Xenopus'e viljastamata munarakkudest, mis on arreteeritud M-faasis. Kui nende ekstrakt süstiti ootsüütidesse, siis see põhjustab ootsüütide küpsemise (sisenemise M-faasi).
Sarnane mehanism toimib ka G1-faasis, kus G1-tsükliinist ja CDK-st moodustub kompleks, mis initsieerib DNA replikatsiooni. Sellise DNA sünteesi intitsieeriva aktiivsuse olemasolu saab näidata katse abil, kus S-faasis olev rakk ja G1-faasis olev rakk ühendatakse ja nende tuumad satuvad ühisesse tsütoplasmasse. Selle tulemusel käivitatakse koheselt DNA replikatsioon G1- faasis oleva raku tuumas.
Rakule on eluliselt tähtis, et S-faasi ajal replitseeritaks kogu DNA. Kuid samavõrd tähtis on see, et seda tehtaks ainult 1 kord. Rakkudel on mingi kontrollmehanism, mis takistab uue replikatsioonitsükli käivitamist, kui DNA on 1 kord juba replitseeritud. Sel põhjusel ei käivitu G2- faasis oleva raku tuumas DNA replikatsioon ka sel juhul, kui see rakk viia kokku S-faasis oleva rakuga (kus on S-faasiks vajalikud faktorid ). Sellise re-replikatsiooni bloki molekulaarne alus pole veel selge. See blokk eemaldatakse mitoosi läbimisel.
 Rakutsükli kulgemist kontrollivad süsteemid tagavad selle, et järgmine etapp ei käivitu enne, kui eelmine on lõpetatud. Üks paremini uuritud kontrollsüsteeme rakkudes on see, mis takistab M-faasi algust seni, kuni DNA replikatsioon pole lõpetatud. Sellise kontrolli vajalikkus on ka hästi mõistetav, sest kui rakk alustaks mitoosi mittetäielikult replitseeritud kromosoomidega, ei saaks tütarrakkude vahel võrdselt jaotada pärilikku materjali ja see oleks rakkudele surmav . Katseliselt saab sellise kontrollsüsteemi olemasolu näidata järgmiselt: kui S- faasis olevale rakule lisada DNA sünteesi inhibiitoreid, siis rakutsükkel peatub ja M-faas ei alga, kuni DNA replikatsioon pole lõpetatud. Samal põhjusel G2-faasi tuum ei lähe M-faasi, kui ta ühendada S-faasis oleva rakuga. Järelikult on mingi signaal , mis takistab DNA-d sünteesival rakul alustada M-faasi. Vastavat kontrollmehanismi saab atakeerida näit. kofeiini abil, sel juhul rakk alustab M-faasi vaatamata sellele, et DNA süntees on pooleli. Tekkinud tütarrakud muidugi hukkuvad. Millistele mehanismidele kofeiin toimib, pole teada. Kui aga kofeiini lisada ilma DNA sünteesi inhibiitorita, siis kulgeb samuti kõik normaalselt. Ilmselt takistab see kontrollsüsteem MPF-kompleksi teket. Seda näitab katse, kui S-faasis olevale rakule süstida M-faasis oleva raku tsütoplasmat, siis algab kromosoomide kondensatsioon ja tuumaümbrise lagunemine kohe, vaatamata sellele, et DNA süntees on pooleli.
Kontrollsüsteem, mis kontrollib kromosoomide kinnitumist kääviniitidele. Mittekinnitunud kromosoomid tekitavad signaali, mis takistab MPF-i lagunemist ja rakk ei alusta anafaasi. Sel põhjusel kogunevad rakud metafaasi, kui raku kasvukeskkonda lisada aineid, mis takistavad tubuliini polümerisatsiooni ja kääviniitide moodustumist. Ka selle kontrollsüsteemi vajalikkus on ilmselge: kui rakk alustaks anafaasi siis, kui kõik kromosoomid pole kinnitunud kääviniitidele, saavad tütarrakud ebavõrdse hulga tütarkromatiide.
Kontrollsüsteemid, mis takistavad M-faasi algust, kui DNA-s on vigastused. Pärmseentel tuntakse radiatsiooni tundlikkust tekitavat mutatsiooni rad9. See kodeerib mingit olulist kontrollsüsteemi komponenti, mis normaalselt peatab rakud G2-faasis kui DNA on kiirituse toimel kahjustatud. Kuna neil mutantidel algab vaatamata kahjustatud DNA-le M-faas (mille tulemusel rakud hukkuvad), siis need mutandid ei kannata selliseid kiiritusdoose, mida normaalsed rakud taluvad.
Teine sarnane kontrollsüsteem toimib imetajate rakkudes, mis peatab kahjustatud DNA-ga rakkudel rakutsükli G1 faasis. See kontrollsüsteem sõltub valgust p53, mille hulk tõuseb rakus, kui DNA on kahjustatud ja peatab rakutsükli. p53 on valk, mille funktsiooni häirumine on ka üheks tekkepõhjuseks väga paljudele vähkkasvaja juhtudele.
Rakujagunemise kontroll hulkraksetel organismidel
Üherakulistel organismidel sõltub rakkude jagunemine põhiliselt toitainete kättesaadavusest ümbritsevas keskkonnas. Pärmirakud näiteks peatavad jagunemise ainult siis, kui saavad naaberrakkudelt signaali paarumisfaktori näol. See peatab rakujagunemise ja valmistab rakke ette konjugeerumiseks. Muidu on ainuraksetel organismidel pidev evolutsiooniline surve võimalikult kiireks jagunemiseks, sest vastasel juhul nad tõrjutaks lihtsalt teiste, kiiremini jagunevate rakkude poolt välja.
Hulkrakse organismi rakkudel aga ei piisa jagunemiseks lihtsalt toitainete olemasolust ja keelavate faktorite puudumisest. Peavad olema ka kindlad positiivsed signaalid, mis indutseerivad rakke jagunema . Paljud sellised signaalid on tuntud valguliste kasvufaktoritena, mis seotakse raku pinna retseptorite poolt.
Kokkuvõte:
Rakutsüklil on 4 faasi ning mitmed kontrollpunktid. Enamkasutatavam kontrollpunkt on G1/S-faasi üleminek, kus paljude rakkude tsükkel peatub, kui raku jagunemine pole soovitav organismile. Peale selle rakk suudab kontrollida, kas DNA replikatsioon on lõpetatud, kas raku suurus on piisav (G1 ja G2-faasis), kas DNA pole vigastatud (G1- ja G2-faasis), kas kromosoomid on kinnitunud kääviniitidele (M-faasis). Rakutsükli kontrollpunktid tagavad selle, et järgmine faas ei käivitu enne, kui eelmine pole lõpetatud.