DNA

Cấu trúc hóa học của DNA; liên kết hydro được hiển thị dưới dạng đường chấm

DNA là một polyme dài được tạo ra từ các đơn vị lặp lại được gọi là nucleotide , mỗi đơn vị thường được ký hiệu bằng một chữ cái duy nhất: A , T , C , hoặc G . ^{[6] [7]} Các quy tắc của Chargaff nói rằng DNA từ bất kỳ loài sinh vật nào phải có tỷ lệ phân tích protein 1: 1 (quy tắc cặp bazơ) của các bazơ purine và pyrimidine (tức là, A + T = G + C ) và cụ thể hơn là lượng guanin phải bằng cytosine và lượng adenine phải bằng thymine . Cấu trúc của DNA là động dọc theo chiều dài của nó, có khả năng cuộn lại thành các vòng chặt chẽ và các hình dạng khác. ^[8] Ở tất cả các loài, nó bao gồm hai chuỗi xoắn, liên kết với nhau bằng liên kết hydro . Cả hai chuỗi đều được cuộn quanh cùng một trục và có cùng bước sóng 34 ångströms (3,4  nm ). Cặp mắt xích có bán kính 10 Å (1,0 nm). ^[9] Theo một nghiên cứu khác, khi được đo trong một dung dịch khác, chuỗi DNA có chiều rộng 22–26 Å (2,2–2,6 nm) và một đơn vị nucleotide dài 3,3 Å (0,33 nm). ^[10] Mặc dù mỗi nucleotide riêng lẻ rất nhỏ, nhưng một polyme DNA có thể rất lớn và có thể chứa hàng trăm triệu nucleotide, chẳng hạn như trong nhiễm sắc thể số 1 . Nhiễm sắc thể 1 là nhiễm sắc thể lớn nhất của con người với khoảng 220 triệu cặp cơ sở , và sẽ làDài 85 mm nếu duỗi thẳng. ^[11]

DNA thường không tồn tại dưới dạng một sợi đơn lẻ, mà thay vào đó là một cặp sợi được giữ chặt chẽ với nhau. ^{[9] [12]} Hai sợi dài này cuộn quanh nhau, theo hình dạng của một chuỗi xoắn kép . Nucleotide chứa cả một đoạn xương sống của phân tử (giữ chuỗi với nhau) và nucleobase (tương tác với sợi DNA khác trong chuỗi xoắn). Một nucleobase liên kết với đường được gọi là nucleoside , và một base liên kết với đường và với một hoặc nhiều nhóm phosphate được gọi là nucleotide . Một polyme sinh học bao gồm nhiều nucleotide liên kết (như trong DNA) được gọi là polynucleotide . ^[13]

Xương sống của sợi DNA được tạo ra từ các nhóm photphat và đường xen kẽ . ^[14] Đường trong DNA là 2-deoxyribose , là đường pentose (năm carbon ). Các loại đường liên kết với nhau bằng các nhóm photphat tạo thành liên kết photphodiester giữa nguyên tử cacbon thứ ba và thứ năm của các vòng đường liền kề. Chúng được gọi là cacbon 3 'cuối (ba đầu nguyên tố) và 5' cuối (năm đầu nguyên tố), ký hiệu nguyên tố được sử dụng để phân biệt các nguyên tử cacbon này với các nguyên tử cacbon mà deoxyribose tạo thành liên kết glycosidic. . Do đó, bất kỳ sợi DNA nào thường có một đầu tại đó có một nhóm photphat gắn với cacbon 5 ′ của ribose (5 ′ phosphoryl) và một đầu khác tại đó có một nhóm hydroxyl tự do gắn với cacbon 3 ′ của một ribose (3 ′ hydroxyl). Sự định hướng của các nguyên tử 3 ′ và 5 ′ dọc theo đường trục photphat tạo ra sự định hướng (đôi khi được gọi là phân cực) cho mỗi sợi DNA. Trong chuỗi xoắn kép axit nucleic , hướng của các nucleotit trong một sợi ngược với hướng của chúng trong sợi còn lại: các sợi là đối song song . Các đầu không đối xứng của sợi DNA được cho là có định hướng của năm đầu nguyên tố (5 ′) và ba đầu nguyên tố (3 ′), với đầu 5 ′ có nhóm photphat ở đầu tận cùng và đầu 3 ′ có nhóm hydroxyl ở đầu cuối. Một điểm khác biệt chính giữa DNA và RNA là đường, với 2-deoxyribose trong DNA được thay thế bằng đường pentose ribose thay thế trong RNA. ^[12]

Một phần của DNA. Các chân đế nằm ngang giữa hai sợi xoắn ốc ^[15] ( phiên bản hoạt hình ).

Chuỗi xoắn kép DNA được ổn định chủ yếu bởi hai lực: liên kết hydro giữa các nucleotide và tương tác xếp bazơ giữa các nucleobase thơm . ^[16] Bốn bazơ được tìm thấy trong DNA là adenin ( A ), cytosine ( C ), guanin ( G ) và thymine ( T ). Bốn bazơ này được gắn vào đường-photphat để tạo thành nucleotit hoàn chỉnh, như được hiển thị cho adenosine monophosphat . Adenine kết hợp với thymine và guanine kết hợp với cytosine, tạo thành AT và GC cặp bazơ . ^{[17] [18]}

Phân loại nucleobase

Các nucleobase được phân loại thành hai loại: các nhân purin , A và G , được hợp nhất với các hợp chất dị vòng năm và sáu cạnh , và các pyrimidine , các vòng sáu ghi nhớ C và T . ^[12] Một nucleobase pyrimidine thứ năm, uracil ( U ), thường thay thế thymine trong RNA và khác với thymine là thiếu nhóm methyl trên vòng của nó. Ngoài RNA và DNA, nhiều chất tương tự axit nucleic nhân tạo đã được tạo ra để nghiên cứu các đặc tính của axit nucleic, hoặc để sử dụng trong công nghệ sinh học. ^[19]

Cơ sở phi chính tắc

Các bazơ biến đổi xảy ra trong DNA. Chất đầu tiên được công nhận là 5-methylcytosine , được tìm thấy trong bộ gen của vi khuẩn lao Mycobacterium vào năm 1925. ^[20] Lý do cho sự hiện diện của các cơ sở không hình tượng này trong vi rút vi khuẩn (thực khuẩn thể ) là để tránh các enzym hạn chế có trong vi khuẩn. Hệ thống enzym này hoạt động ít nhất một phần như một hệ thống miễn dịch phân tử bảo vệ vi khuẩn khỏi bị nhiễm vi rút. ^[21] Sự sửa đổi của các base cytosine và adenine, những base DNA phổ biến hơn và được sửa đổi, đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát biểu sinh của sự biểu hiện gen ở thực vật và động vật. ^[22]

Danh sách các cơ sở phi chính tắc được tìm thấy trong DNA

Một số bazơ không chuẩn được biết là có trong DNA. ^[23] Hầu hết trong số này là những sửa đổi của các cơ sở chính tắc cộng với uracil.

• Adenosine sửa đổi
  • N6-carbamoyl-methyladenine
  • N6-methyadenine
• Guanine sửa đổi
  • 7-Deazaguanine
  • 7-metylguanin
• Cytosine sửa đổi
  • N4-Methylcytosine
  • 5-Carboxylcytosine
  • 5-Formylcytosine
  • 5-Glycosylhydroxymethylcytosine
  • 5-Hydroxycytosine
  • 5-Methylcytosine
• Thymidine sửa đổi
  • α-Glutamythymidine
  • α-Putrescinylthymine
• Uracil và các sửa đổi
  • Cơ sở J
  • Uracil
  • 5-Dihydroxypentauracil
  • 5-Hydroxymethyldeoxyuracil
• Khác
  • Deoxyarchaeosine
  • 2,6-Diaminopurine (2-Aminoadenine)

Các rãnh chính và rãnh nhỏ của DNA. Sau đó là vị trí liên kết cho thuốc nhuộm Hoechst 33258.

Rãnh

Các sợi xoắn kép tạo thành xương sống DNA. Một chuỗi xoắn kép khác có thể được tìm thấy lần theo các khoảng trống hoặc rãnh giữa các sợi. Các khoảng trống này tiếp giáp với các cặp cơ sở và có thể tạo ra vị trí ràng buộc . Vì các sợi không nằm đối xứng với nhau nên các rãnh có kích thước không bằng nhau. Một rãnh, rãnh chính, rộng 22 ångströms (2,2 nm) và rãnh còn lại, rãnh phụ, rộng 12 Å (1,2 nm). ^[24] Chiều rộng của rãnh chính có nghĩa là các cạnh của đế dễ tiếp cận hơn trong rãnh chính hơn trong rãnh phụ. Kết quả là, các protein như các yếu tố phiên mã có thể liên kết với các trình tự cụ thể trong DNA sợi đôi thường tiếp xúc với các mặt của các base lộ ra trong rãnh chính. ^[25] Tình huống này thay đổi theo các cấu trúc bất thường của DNA trong tế bào (xem bên dưới) , nhưng các rãnh chính và rãnh phụ luôn được đặt tên để phản ánh sự khác biệt về kích thước có thể thấy nếu DNA bị xoắn trở lại dạng B thông thường.

Ghép nối cơ sở

Trong chuỗi xoắn kép DNA, mỗi loại nucleobase trên một sợi liên kết với chỉ một loại nucleobase trên sợi kia. Đây được gọi là ghép nối bazơ bổ sung . Purine tạo liên kết hydro với pyrimidine, với liên kết adenine chỉ với thymine trong hai liên kết hydro, và liên kết cytosine chỉ với guanin trong ba liên kết hydro. Sự sắp xếp này của hai nucleotide liên kết với nhau qua chuỗi xoắn kép (từ vòng sáu carbon đến vòng sáu carbon) được gọi là cặp bazơ Watson-Crick. DNA có hàm lượng GC cao ổn định hơn DNA có hàm lượng GC thấp GC -content. Cặp bazơ Hoogsteen (liên kết hydro giữa vòng 6 carbon với vòng 5 carbon) là một dạng biến thể hiếm gặp của việc kết đôi bazơ. ^[26] Vì liên kết hydro không cộng hóa trị nên chúng có thể bị phá vỡ và liên kết lại tương đối dễ dàng. Do đó, hai sợi DNA trong một chuỗi xoắn kép có thể được kéo ra như một chiếc dây kéo, bằng một lực cơ học hoặc nhiệt độ cao . ^[27] Do sự bổ sung của cặp bazơ này, tất cả thông tin trong trình tự chuỗi kép của một chuỗi xoắn DNA được sao chép trên mỗi sợi, điều này rất quan trọng trong quá trình sao chép DNA. Tương tác đặc hiệu và thuận nghịch giữa các cặp bazơ bổ sung là rất quan trọng đối với tất cả các chức năng của DNA trong sinh vật. ^[7]

Hàng đầu, một GC cặp bazơ với ba liên kết hydro . Dưới cùng, một Cặp bazơ AT với hai liên kết hiđrô. Các liên kết hydro không cộng hóa trị giữa các cặp được biểu diễn dưới dạng đường đứt nét.

ssDNA so với dsDNA

Như đã nói ở trên, hầu hết các phân tử DNA thực sự là hai sợi polyme, liên kết với nhau theo kiểu xoắn ốc bằng các liên kết không hóa trị; cấu trúc sợi đôi ( dsDNA ) này được duy trì phần lớn bởi các tương tác xếp chồng cơ sở nội bộ, tương tác mạnh nhất đối với G, C ngăn xếp. Hai sợi có thể tách ra - một quá trình được gọi là tan chảy - để tạo thành hai phân tử DNA sợi đơn ( ssDNA ). Sự nóng chảy xảy ra ở nhiệt độ cao, ít muối và pH cao ( pH thấp cũng làm tan chảy DNA, nhưng vì DNA không ổn định do khử axit nên pH thấp ít được sử dụng).

Sự ổn định của dạng dsDNA không chỉ phụ thuộc vào GC -content (% Các cặp bazơ G, C ) mà còn theo trình tự (vì sự xếp chồng là đặc trưng của trình tự) và cả chiều dài (các phân tử dài hơn thì ổn định hơn). Độ ổn định có thể được đo bằng nhiều cách khác nhau; một cách phổ biến là "nhiệt độ nóng chảy", là nhiệt độ mà tại đó 50% phân tử sợi đôi được chuyển thành phân tử sợi đơn; nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào cường độ ion và nồng độ của DNA. Kết quả là, cả hai đều là tỷ lệ phần trăm của Các cặp bazơ GC và chiều dài tổng thể của chuỗi xoắn kép DNA quyết định độ bền của sự liên kết giữa hai sợi DNA. Các vòng xoắn DNA dài với một GC -content có các sợi tương tác mạnh hơn, trong khi các sợi xoắn ngắn với Nội dung AT có các sợi tương tác yếu hơn. ^[28] Trong sinh học, các phần của chuỗi xoắn kép DNA cần tách rời dễ dàng, chẳng hạn như Hộp TATAAT Pribnow trong một số quảng cáo , có xu hướng có giá trị cao Nội dung AT , làm cho các sợi dễ kéo ra hơn. ^[29]

Trong phòng thí nghiệm, cường độ của tương tác này có thể được đo bằng cách tìm nhiệt độ cần thiết để phá vỡ một nửa liên kết hydro, nhiệt độ nóng chảy của chúng (còn được gọi là giá trị T _m ). Khi tất cả các cặp bazơ trong chuỗi xoắn kép DNA tan chảy, các sợi phân tách và tồn tại trong dung dịch như hai phân tử hoàn toàn độc lập. Các phân tử DNA sợi đơn này không có hình dạng chung duy nhất, nhưng một số cấu trúc ổn định hơn các cấu trúc khác. ^[30]

Giác quan và phản cảm

Một chuỗi DNA được gọi là "cảm giác" tự nếu nó là giống như của một ARN thông tin bản sao đó được dịch sang protein. ^[31] Trình tự trên sợi đối diện được gọi là trình tự "antisense". Cả hai trình tự giác và phản âm đều có thể tồn tại trên các phần khác nhau của cùng một sợi DNA (nghĩa là cả hai sợi đều có thể chứa cả trình tự giác và phản âm). Ở cả sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn, trình tự RNA đối nghĩa được tạo ra, nhưng chức năng của các RNA này không hoàn toàn rõ ràng. ^[32] Một đề xuất là ARN đối âm có liên quan đến việc điều chỉnh sự biểu hiện gen thông qua quá trình bắt cặp cơ sở ARN-ARN. ^[33]

Một số trình tự DNA ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn, và nhiều trình tự khác ở plasmid và vi rút , làm mờ sự phân biệt giữa chuỗi cảm giác và chuỗi phản nguyên do có các gen chồng chéo lên nhau . ^[34] Trong những trường hợp này, một số trình tự DNA làm nhiệm vụ kép, mã hóa một protein khi được đọc dọc theo một sợi và một protein thứ hai khi được đọc theo hướng ngược lại dọc theo sợi kia. Ở vi khuẩn , sự chồng chéo này có thể tham gia vào quá trình điều hòa phiên mã gen, ^[35] trong khi ở virus, sự chồng chéo các gen làm tăng lượng thông tin có thể được mã hóa trong bộ gen virus nhỏ. ^[36]

Đun siêu tốc

DNA có thể được xoắn lại như một sợi dây trong một quá trình được gọi là DNA supercoiling . Với DNA ở trạng thái "thư giãn", một sợi thường quay quanh trục của chuỗi xoắn kép cứ sau 10,4 cặp base một lần, nhưng nếu DNA bị xoắn, các sợi sẽ trở nên chặt chẽ hơn hoặc quấn lỏng hơn. ^[37] Nếu DNA được xoắn theo hướng của chuỗi xoắn, đây là hiện tượng siêu âm tích cực và các bazơ được giữ chặt chẽ hơn với nhau. Nếu chúng bị xoắn theo hướng ngược lại, đây là siêu âm cực và các đế dễ tách ra hơn. Trong tự nhiên, hầu hết DNA có siêu âm nhẹ được đưa vào bởi các enzym gọi là topoisomerase . ^[38] Các enzym này cũng cần thiết để giảm căng thẳng xoắn được đưa vào các sợi DNA trong các quá trình như phiên mã và sao chép DNA . ^[39]

Từ trái sang phải, cấu trúc của DNA A, B và Z

Cấu trúc DNA thay thế

DNA tồn tại ở nhiều dạng có thể có bao gồm các dạng A-DNA , B-DNA và Z-DNA , mặc dù, chỉ có B-DNA và Z-DNA được quan sát trực tiếp trong các sinh vật chức năng. ^[14] Cấu trúc mà DNA áp dụng phụ thuộc vào mức độ hydrat hóa, trình tự DNA, số lượng và hướng siêu tích tụ, các biến đổi hóa học của bazơ, loại và nồng độ của các ion kim loại , và sự hiện diện của polyamine trong dung dịch. ^[40]

Các báo cáo đầu tiên được công bố về các mẫu nhiễu xạ tia X của A-DNA và cả B-DNA — đã sử dụng các phân tích dựa trên các phép biến đổi Patterson chỉ cung cấp một lượng thông tin cấu trúc hạn chế cho các sợi DNA định hướng. ^{[41] [42]} Một phân tích thay thế sau đó được đề xuất bởi Wilkins và cộng sự. , vào năm 1953, đối với các mẫu tán xạ tia X-DNA B-DNA in vivo của các sợi DNA ngậm nước cao dưới dạng bình phương của các chức năng Bessel . ^[43] Trong cùng một tạp chí, James Watson và Francis Crick đã trình bày phân tích mô hình phân tử của họ về các mẫu nhiễu xạ tia X của DNA để gợi ý rằng cấu trúc là một chuỗi xoắn kép. ^[9]

Mặc dù dạng B-DNA phổ biến nhất trong các điều kiện được tìm thấy trong tế bào, ^[44] nó không phải là một cấu trúc được xác định rõ ràng mà là một họ các cấu trúc DNA có liên quan ^[45] xảy ra ở mức độ hydrat hóa cao trong tế bào. Tương ứng nhiễu xạ tia X và phân tán mô hình của họ là đặc trưng của phân tử paracrystals với một mức độ quan trọng của rối loạn. ^{[46] [47]}

So với B-DNA, dạng A-DNA là một hình xoắn ốc bên phải rộng hơn , với một rãnh phụ nông, rộng và một rãnh chính sâu hơn, hẹp hơn. Dạng A xuất hiện trong các điều kiện phi sinh lý trong các mẫu DNA bị khử nước một phần, trong khi trong tế bào, nó có thể được tạo ra trong các cặp lai giữa các sợi DNA và RNA, và trong các phức hợp enzyme-DNA. ^{[48] [49]} Phân đoạn DNA nơi các căn cứ đã được sửa đổi về mặt hóa học bởi sự methyl hóa có thể trải qua một sự thay đổi lớn trong cấu tạo và áp dụng các hình thức Z . Ở đây, các sợi quay quanh trục xoắn theo hình xoắn ốc bên trái, ngược lại với dạng B phổ biến hơn. ^[50] Những cấu trúc bất thường này có thể được nhận ra bởi các protein liên kết Z-DNA cụ thể và có thể tham gia vào quá trình điều hòa phiên mã. ^[51]

Hóa học DNA thay thế

Trong nhiều năm, các nhà ngoại sinh vật học đã đề xuất sự tồn tại của một sinh quyển bóng tối , một sinh quyển vi sinh vật được cho là của Trái đất sử dụng các quá trình sinh hóa và phân tử hoàn toàn khác với sự sống hiện tại. Một trong những đề xuất là sự tồn tại của các dạng sống sử dụng asen thay vì phốt pho trong DNA . Một báo cáo vào năm 2010 về khả năng có trong vi khuẩn GFAJ-1 , đã được công bố, ^{[52] [53]} mặc dù nghiên cứu bị tranh cãi, ^{[53] [54]} và bằng chứng cho thấy vi khuẩn này tích cực ngăn chặn sự kết hợp của asen vào xương sống DNA và các phân tử sinh học khác. ^[55]

Cấu trúc song công

Ở đầu mút của các nhiễm sắc thể tuyến tính là các vùng chuyên biệt của DNA được gọi là telomere . Chức năng chính của các vùng này là cho phép tế bào sao chép các đầu mút của nhiễm sắc thể bằng cách sử dụng enzyme telomerase , vì các enzyme thường sao chép DNA không thể sao chép các đầu 3 'cực của nhiễm sắc thể. ^[56] Các nắp nhiễm sắc thể chuyên biệt này cũng giúp bảo vệ các đầu tận cùng của DNA và ngăn hệ thống sửa chữa DNA trong tế bào coi chúng là những tổn thương cần được sửa chữa. ^[57] Trong tế bào người , telomere thường là độ dài của DNA sợi đơn chứa vài nghìn lần lặp lại của một trình tự TTAGGG đơn giản. ^[58]

Bộ tứ DNA được hình thành bởi sự lặp lại của telomere . Cấu trúc dạng vòng lặp của xương sống DNA rất khác với dạng xoắn DNA điển hình. Các quả cầu màu xanh lá cây ở trung tâm đại diện cho các ion kali. ^[59]

Các trình tự giàu guanin này có thể ổn định các đầu mút của nhiễm sắc thể bằng cách hình thành cấu trúc của các bộ bốn cơ sở xếp chồng lên nhau, thay vì các cặp bazơ thông thường được tìm thấy trong các phân tử ADN khác. Ở đây, bốn bazơ guanin, được gọi là tetrad guanin , tạo thành một tấm phẳng. Sau đó, các đơn vị bốn cơ sở phẳng này xếp chồng lên nhau để tạo thành cấu trúc G-quadruplex ổn định . ^[60] Các cấu trúc này được ổn định bằng liên kết hydro giữa các cạnh của bazơ và sự che lấp ion kim loại ở trung tâm của mỗi đơn vị bốn cơ sở. ^[61] Các cấu trúc khác cũng có thể được hình thành, với tập hợp trung tâm của bốn đế đến từ một sợi đơn được uốn quanh các đế, hoặc một số sợi song song khác nhau, mỗi sợi đóng góp một đế vào cấu trúc trung tâm.

Ngoài các cấu trúc xếp chồng lên nhau này, các telomere cũng tạo thành các cấu trúc vòng lặp lớn được gọi là vòng lặp telomere, hay vòng lặp T. Tại đây, DNA sợi đơn cuộn quanh thành một vòng tròn dài được ổn định bởi các protein liên kết với telomere. ^[62] Ở phần cuối của vòng lặp T, DNA telomere sợi đơn được giữ trên một vùng của DNA sợi kép bởi sợi telomere phá vỡ sự bắt cặp của DNA xoắn kép và cơ sở thành một trong hai sợi. Đây ba sợi cấu trúc được gọi là một vòng lặp chuyển hoặc D-loop . ^[60]

Một nhánh	Nhiều chi nhánh

DNA phân nhánh có thể tạo thành mạng lưới chứa nhiều nhánh.

DNA phân nhánh

Trong ADN, rách nát xảy ra khi vùng không bổ sung tồn tại ở phần cuối của một trường hợp bổ sung hai sợi DNA. Tuy nhiên, DNA phân nhánh có thể xảy ra nếu sợi thứ ba của DNA được đưa vào và chứa các vùng liền kề có thể lai với các vùng bị sờn của sợi đôi đã có từ trước. Mặc dù ví dụ đơn giản nhất về DNA phân nhánh chỉ liên quan đến ba sợi DNA, các phức hợp liên quan đến các sợi bổ sung và nhiều nhánh cũng có thể. ^[63] DNA nhánh có thể được sử dụng trong công nghệ nano để tạo ra các hình dạng hình học, xem phần sử dụng trong công nghệ bên dưới.

Cơ sở nhân tạo

Một số nucleobase nhân tạo đã được tổng hợp và kết hợp thành công trong chất tương tự DNA tám cơ sở có tên là DNA Hachimoji . Được đặt tên là S, B, P và Z, các base nhân tạo này có khả năng liên kết với nhau theo cách có thể đoán trước được (S – B và P – Z), duy trì cấu trúc chuỗi xoắn kép của DNA và được phiên mã thành RNA. Sự tồn tại của chúng có thể được coi là dấu hiệu cho thấy không có gì đặc biệt về bốn nucleobase tự nhiên đã tiến hóa trên Trái đất. ^{[64] [65]} Mặt khác, DNA có liên quan chặt chẽ với RNA không chỉ hoạt động như một bản sao của DNA mà còn thực hiện nhiều nhiệm vụ như máy phân tử trong tế bào. Vì mục đích này, nó phải gấp lại thành một cấu trúc. Người ta đã chỉ ra rằng để tạo ra tất cả các cấu trúc có thể có thì cần ít nhất bốn bazơ cho RNA tương ứng , ^[66] trong khi số lượng cao hơn cũng có thể nhưng điều này sẽ trái với Nguyên tắc tự nhiên là ít nỗ lực nhất .

cytosine	5-metylcytosine	thymine

Cấu trúc của cytosine có và không có nhóm 5-metyl. Quá trình khử chuyển đổi 5-methylcytosine thành thymine.

Sửa đổi cơ sở và đóng gói DNA

Sự biểu hiện của gen bị ảnh hưởng bởi cách DNA được đóng gói trong nhiễm sắc thể, trong một cấu trúc được gọi là chất nhiễm sắc . Các biến đổi cơ sở có thể liên quan đến việc đóng gói, với các vùng có biểu hiện gen thấp hoặc không có biểu hiện gen thường chứa mức độ metyl hóa cao của các bazơ cytosine . Quá trình đóng gói DNA và ảnh hưởng của nó đối với sự biểu hiện gen cũng có thể xảy ra bằng các sửa đổi cộng hóa trị của lõi protein histone mà DNA được bao bọc trong cấu trúc nhiễm sắc xung quanh hoặc bằng cách tái tạo lại được thực hiện bởi các phức hợp tái tạo nhiễm sắc (xem phần Tái tạo nhiễm sắc thể ). Ngoài ra, còn có sự xuyên âm giữa quá trình methyl hóa DNA và sửa đổi histone, vì vậy chúng có thể ảnh hưởng phối hợp đến chất nhiễm sắc và biểu hiện gen. ^[67]

Ví dụ, quá trình methyl hóa cytosine tạo ra 5-methylcytosine , chất này rất quan trọng đối với sự bất hoạt của nhiễm sắc thể X. ^[68] Mức độ methyl hóa trung bình khác nhau giữa các sinh vật - giun Caenorhabditis elegans thiếu sự methyl hóa cytosine, trong khi động vật có xương sống có mức độ cao hơn, với tới 1% DNA của chúng chứa 5-methylcytosine. ^[69] Mặc dù tầm quan trọng của 5-methylcytosine, nó có thể khử amin để để lại bazơ thymine, do đó, các cytosine bị methyl hóa đặc biệt dễ bị đột biến . ^[70] Các biến đổi bazơ khác bao gồm metyl hóa adenin ở vi khuẩn, sự hiện diện của 5-hydroxymethylcytosine trong não , ^[71] và quá trình glycosyl hóa uracil để tạo ra "J-base" trong kinetoplastids . ^{[72] [73]}

Hư hại

Một kết cộng hóa trị sản phẩm cộng giữa một trao đổi chất hoạt tính dạng benzo [ một ] pyrene , các chính mutagen trong khói thuốc lá , và DNA ^[74]

DNA có thể bị phá hủy bởi nhiều loại đột biến , làm thay đổi trình tự DNA . Chất gây đột biến bao gồm các chất oxy hóa , đại lý alkyl hóa và cũng năng lượng cao bức xạ điện từ như tia cực tím ánh sáng và tia X . Loại tổn thương DNA được tạo ra phụ thuộc vào loại chất gây đột biến. Ví dụ, tia UV có thể làm hỏng DNA bằng cách tạo ra các dimer thymine , là các liên kết chéo giữa các base pyrimidine. ^[75] Mặt khác, các chất oxy hóa như gốc tự do hoặc hydrogen peroxide tạo ra nhiều dạng thiệt hại, bao gồm các biến đổi cơ sở, đặc biệt là guanosine, và đứt gãy sợi đôi. ^[76] Một tế bào điển hình của con người chứa khoảng 150.000 bazơ đã bị tổn thương do quá trình oxy hóa. ^[77] Trong số những tổn thương oxy hóa này, nguy hiểm nhất là đứt gãy sợi kép, vì chúng khó sửa chữa và có thể tạo ra đột biến điểm , chèn , mất đoạn khỏi chuỗi DNA và chuyển đoạn nhiễm sắc thể . ^[78] Những đột biến này có thể gây ung thư . Do những giới hạn cố hữu trong cơ chế sửa chữa DNA, nếu con người sống đủ lâu, cuối cùng họ sẽ phát triển thành ung thư. ^{[79] [80] Các} tổn thương DNA xảy ra tự nhiên , do các quá trình tế bào bình thường tạo ra các loại oxy phản ứng, các hoạt động thủy phân của nước tế bào, v.v., cũng thường xuyên xảy ra. Mặc dù hầu hết các hư hỏng này đều được sửa chữa, nhưng trong bất kỳ tế bào nào, một số tổn thương DNA vẫn có thể vẫn tồn tại bất chấp hành động của các quá trình sửa chữa. Những tổn thương DNA còn lại này tích tụ theo tuổi trong các mô hậu sinh vật có vú. Sự tích tụ này dường như là một nguyên nhân cơ bản quan trọng của sự lão hóa. ^{[81] [82] [83]}

Nhiều đột biến phù hợp với không gian giữa hai cặp bazơ liền kề, điều này được gọi là xen phủ . Hầu hết các chất xen kẽ là các phân tử thơm và phẳng; ví dụ bao gồm ethidium bromide , acridines , daunomycin và doxorubicin . Để một bộ xen kẽ khớp giữa các cặp bazơ, các bazơ phải tách rời nhau, làm biến dạng các sợi DNA bằng cách tháo xoắn của chuỗi xoắn kép. Điều này ức chế cả phiên mã và sao chép DNA, gây ra độc tính và đột biến. ^[84] Do đó, các chất xen kẽ DNA có thể là chất gây ung thư , và trong trường hợp của thalidomide, một chất gây quái thai . ^[85] Những chất khác như benzo [ a ] pyrene diol epoxit và aflatoxin tạo thành các chất bổ sung DNA gây ra lỗi trong quá trình sao chép. ^[86] Tuy nhiên, do khả năng ức chế quá trình sao chép và phiên mã DNA, các chất độc tương tự khác cũng được sử dụng trong hóa trị liệu để ức chế các tế bào ung thư phát triển nhanh chóng . ^[87]

Vị trí của DNA nhân eukaryote trong nhiễm sắc thể

DNA thường xảy ra ở dạng nhiễm sắc thể tuyến tính ở sinh vật nhân thực và nhiễm sắc thể dạng tròn ở sinh vật nhân sơ . Bộ nhiễm sắc thể trong một tế bào tạo nên bộ gen của nó ; các bộ gen của con người có khoảng 3 tỷ cặp base của DNA sắp xếp thành 46 nhiễm sắc thể. ^[88] Thông tin do DNA mang theo được tổ chức trong chuỗi các đoạn DNA được gọi là gen . Sự truyền thông tin di truyền trong gen được thực hiện thông qua kết cặp bổ sung. Ví dụ, trong phiên mã, khi tế bào sử dụng thông tin trong gen, trình tự DNA được sao chép thành trình tự RNA bổ sung thông qua lực hút giữa DNA và các nucleotide RNA chính xác. Thông thường, bản sao RNA này sau đó được sử dụng để tạo chuỗi protein phù hợp trong một quá trình được gọi là dịch mã , quá trình này phụ thuộc vào sự tương tác giống nhau giữa các nucleotide RNA. Theo cách khác, một tế bào có thể chỉ cần sao chép thông tin di truyền của nó trong một quá trình được gọi là sao chép DNA . Các chi tiết của các chức năng này được đề cập trong các bài báo khác; ở đây trọng tâm là sự tương tác giữa DNA và các phân tử khác làm trung gian cho chức năng của bộ gen.

Gen và bộ gen

DNA bộ gen được đóng gói chặt chẽ và có trật tự trong quá trình được gọi là cô đặc DNA , để phù hợp với thể tích nhỏ sẵn có của tế bào. Ở sinh vật nhân thực, DNA nằm trong nhân tế bào , với một lượng nhỏ trong ti thể và lục lạp . Ở sinh vật nhân sơ, DNA được tổ chức trong một cơ thể có hình dạng bất thường trong tế bào chất được gọi là nucleoid . ^[89] Thông tin di truyền trong bộ gen được giữ trong các gen, và tập hợp đầy đủ thông tin này trong một sinh vật được gọi là kiểu gen của nó . Gen là một đơn vị di truyền và là một vùng của DNA ảnh hưởng đến một đặc tính cụ thể trong một sinh vật. Các gen chứa một khung đọc mở có thể được phiên mã và các trình tự quy định như trình tự khởi động và trình tự tăng cường , kiểm soát quá trình phiên mã của khung đọc mở.

Ở nhiều loài , chỉ một phần nhỏ trong tổng số trình tự của bộ gen mã hóa protein. Ví dụ, chỉ có khoảng 1,5% bộ gen người bao gồm các exon mã hóa protein , với hơn 50% ADN của con người bao gồm các trình tự lặp lại không mã hóa . ^[90] Lý do cho sự hiện diện của quá nhiều DNA không mã hóa trong hệ gen của sinh vật nhân chuẩn và sự khác biệt bất thường về kích thước bộ gen , hoặc giá trị C , giữa các loài, đại diện cho một câu đố lâu đời được gọi là " bí ẩn giá trị C ". ^[91] Tuy nhiên, một số trình tự DNA không mã hóa protein vẫn có thể mã hóa các phân tử RNA không mã hóa chức năng , có liên quan đến quy định biểu hiện gen . ^[92]

T7 RNA polymerase (xanh lam) sản xuất mRNA (xanh lục) từ khuôn mẫu DNA (cam) ^[93]

Một số trình tự DNA không mã hóa đóng vai trò cấu trúc trong nhiễm sắc thể. Telomere và tâm động thường chứa ít gen nhưng rất quan trọng đối với chức năng và sự ổn định của nhiễm sắc thể. ^{[57] [94]} Một dạng DNA không mã hóa phong phú ở người là pseudogenes , là bản sao của các gen đã bị vô hiệu hóa do đột biến. ^[95] Những trình tự này thường chỉ là hóa thạch phân tử , mặc dù đôi khi chúng có thể đóng vai trò là vật liệu di truyền thô để tạo ra các gen mới thông qua quá trình sao chép và phân kỳ gen . ^[96]

Phiên âm và dịch thuật

Gen là một chuỗi DNA chứa thông tin di truyền và có thể ảnh hưởng đến kiểu hình của sinh vật. Trong một gen, trình tự các base dọc theo sợi DNA xác định trình tự RNA thông tin , trình tự này sau đó xác định một hoặc nhiều trình tự protein. Mối quan hệ giữa trình tự nuclêôtit của gen và trình tự axit amin của prôtêin được xác định theo quy luật dịch mã , được gọi chung là mã di truyền . Mã di truyền bao gồm các 'từ' ba chữ cái được gọi là codon được hình thành từ một chuỗi ba nucleotide (ví dụ: ACT, CAG, TTT).

Trong phiên mã, các codon của gen được sao chép thành RNA thông tin nhờ RNA polymerase . Bản sao RNA này sau đó được giải mã bởi một ribosome đọc trình tự RNA bằng cách bắt cặp bazơ RNA thông tin để chuyển RNA , mang các axit amin. Vì có 4 cơ số trong tổ hợp 3 chữ cái, nên có 64 codon có thể có (4  tổ hợp ³ ). Chúng mã hóa 20 axit amin tiêu chuẩn , tạo ra hầu hết các axit amin có thể có nhiều hơn một codon. Ngoài ra còn có ba codon 'dừng' hoặc 'vô nghĩa' biểu thị sự kết thúc của vùng mã hóa; đây là các codon TAA, TGA và TAG.

Nhân đôi DNA: Các xoắn kép là unwound bởi một helicase và topo-iso-merase . Tiếp theo, một DNA polymerase tạo ra bản sao sợi dẫn đầu . Một DNA polymerase khác liên kết với sợi trễ . Enzyme này tạo ra các phân đoạn không liên tục (được gọi là các đoạn Okazaki ) trước khi DNA ligase nối chúng lại với nhau.

Nhân rộng

Sự phân chia tế bào là điều cần thiết để một sinh vật phát triển, nhưng khi một tế bào phân chia, nó phải sao chép DNA trong bộ gen của nó để hai tế bào con có cùng thông tin di truyền với cha mẹ của chúng. Cấu trúc chuỗi kép của DNA cung cấp một cơ chế đơn giản để sao chép DNA . Tại đây, hai sợi được tách ra và sau đó trình tự DNA bổ sung của mỗi sợi được tái tạo bởi một loại enzyme gọi là DNA polymerase . Enzyme này tạo ra sợi bổ sung bằng cách tìm ra bazơ chính xác thông qua ghép đôi bazơ bổ sung và liên kết nó với sợi ban đầu. Vì DNA polymerase chỉ có thể kéo dài sợi DNA theo hướng 5 'đến 3', nên các cơ chế khác nhau được sử dụng để sao chép các sợi đối song của chuỗi xoắn kép. ^[97] Theo cách này, cơ sở trên sợi cũ quyết định cơ sở nào xuất hiện trên sợi mới, và tế bào kết thúc với một bản sao hoàn hảo của DNA của nó.

Axit nucleic ngoại bào

DNA ngoại bào khỏa thân (eDNA), hầu hết được giải phóng khi tế bào chết, gần như phổ biến trong môi trường. Nồng độ của nó trong đất có thể cao tới 2 μg / L và nồng độ của nó trong môi trường nước tự nhiên có thể cao tới 88 μg / L. ^[98] Nhiều chức năng khả dĩ khác nhau đã được đề xuất cho eDNA: nó có thể tham gia vào quá trình chuyển gen theo chiều ngang ; ^[99] nó có thể cung cấp chất dinh dưỡng; ^[100] và nó có thể hoạt động như một chất đệm để thu nhận hoặc chuẩn độ các ion hoặc kháng sinh. ^[101] DNA ngoại bào hoạt động như một thành phần chất nền ngoại bào có chức năng trong màng sinh học của một số loài vi khuẩn. Nó có thể hoạt động như một yếu tố nhận biết để điều chỉnh sự gắn kết và phân tán của các loại tế bào cụ thể trong màng sinh học; ^[102] nó có thể góp phần hình thành màng sinh học; ^[103] và nó có thể góp phần vào sức mạnh thể chất của màng sinh học và khả năng chống lại căng thẳng sinh học. ^[104]

DNA của thai nhi không có tế bào được tìm thấy trong máu của người mẹ và có thể được giải trình tự để xác định rất nhiều thông tin về thai nhi đang phát triển. ^[105]

Dưới tên gọi DNA môi trường, eDNA đã được sử dụng ngày càng nhiều trong khoa học tự nhiên như một công cụ khảo sát sinh thái học , theo dõi sự di chuyển và hiện diện của các loài trong nước, không khí hoặc trên đất liền và đánh giá đa dạng sinh học của một khu vực. ^{[106] [107]}

Tất cả các chức năng của DNA phụ thuộc vào tương tác với protein. Các tương tác protein này có thể không đặc hiệu hoặc protein có thể liên kết đặc hiệu với một chuỗi DNA đơn lẻ. Các enzyme cũng có thể liên kết với DNA và trong số này, các polymerase sao chép trình tự cơ sở DNA trong quá trình phiên mã và sao chép DNA là đặc biệt quan trọng.

Protein liên kết DNA

Tương tác của DNA (màu cam) với histone (màu xanh lam). Các axit amin cơ bản của các protein này liên kết với các nhóm photphat có tính axit trên DNA.

Các protein cấu trúc liên kết DNA là những ví dụ dễ hiểu về tương tác DNA-protein không đặc hiệu. Trong nhiễm sắc thể, DNA được tổ chức trong phức hợp với các protein cấu trúc. Những protein này tổ chức DNA thành một cấu trúc nhỏ gọn được gọi là chất nhiễm sắc . Ở sinh vật nhân chuẩn, cấu trúc này liên quan đến việc liên kết DNA với một phức hợp các protein cơ bản nhỏ gọi là histone , trong khi ở sinh vật nhân sơ có nhiều loại protein tham gia. ^{[108] [109]} Các histon tạo thành một phức hợp hình đĩa được gọi là nucleosome , chứa hai vòng hoàn chỉnh của DNA sợi kép được bao bọc xung quanh bề mặt của nó. Những tương tác không đặc hiệu này được hình thành thông qua các gốc cơ bản trong histon, tạo ra các liên kết ion với xương sống axit-photphat của DNA, và do đó phần lớn không phụ thuộc vào trình tự cơ sở. ^[110] Các biến đổi hóa học của các gốc axit amin cơ bản này bao gồm methyl hóa , phosphoryl hóa và acetyl hóa . ^[111] Những thay đổi hóa học này làm thay đổi độ mạnh của sự tương tác giữa DNA và các histone, làm cho DNA ít nhiều tiếp cận được với các yếu tố phiên mã và thay đổi tốc độ phiên mã. ^[112] Các protein liên kết DNA không đặc hiệu khác trong chất nhiễm sắc bao gồm các protein nhóm có tính di động cao, liên kết với DNA bị uốn cong hoặc bị biến dạng. ^[113] Những protein này rất quan trọng trong việc bẻ cong các mảng của thể nhân và sắp xếp chúng vào các cấu trúc lớn hơn tạo nên nhiễm sắc thể. ^[114]

Một nhóm khác biệt của protein liên kết DNA là các protein liên kết DNA liên kết đặc biệt với DNA sợi đơn. Ở người, protein sao chép A là thành viên được hiểu rõ nhất của họ này và được sử dụng trong các quá trình mà chuỗi xoắn kép được tách ra, bao gồm sao chép DNA, tái tổ hợp và sửa chữa DNA. ^[115] Các protein liên kết này dường như ổn định DNA sợi đơn và bảo vệ nó khỏi hình thành các vòng gốc hoặc bị phân hủy bởi nuclease .

Yếu tố phiên mã lambda repressor helix-turn-helix gắn với đích DNA của nó ^[116]

Ngược lại, các protein khác đã phát triển để liên kết với các trình tự DNA cụ thể. Nghiên cứu chuyên sâu nhất trong số này là các yếu tố phiên mã khác nhau , là các protein điều chỉnh quá trình phiên mã. Mỗi yếu tố phiên mã liên kết với một bộ trình tự DNA cụ thể và kích hoạt hoặc ức chế sự phiên mã của các gen có các trình tự này gần với trình tự khởi động của chúng. Các yếu tố phiên mã thực hiện điều này theo hai cách. Thứ nhất, chúng có thể liên kết RNA polymerase chịu trách nhiệm phiên mã, trực tiếp hoặc thông qua các protein trung gian khác; điều này định vị polymerase tại promoter và cho phép nó bắt đầu phiên mã. ^[117] Ngoài ra, các yếu tố phiên mã có thể liên kết các enzym làm thay đổi các histon tại promoter. Điều này làm thay đổi khả năng tiếp cận của khuôn mẫu DNA với polymerase. ^[118]

Vì các mục tiêu DNA này có thể xảy ra trong toàn bộ hệ gen của sinh vật, nên những thay đổi trong hoạt động của một loại yếu tố phiên mã có thể ảnh hưởng đến hàng nghìn gen. ^[119] Do đó, những protein này thường là mục tiêu của quá trình truyền tín hiệu kiểm soát phản ứng với những thay đổi của môi trường hoặc sự biệt hóa và phát triển của tế bào . Tính đặc hiệu của các tương tác của các yếu tố phiên mã này với DNA đến từ việc các protein tạo ra nhiều điểm tiếp xúc với các cạnh của cơ sở DNA, cho phép chúng "đọc" trình tự DNA. Hầu hết các tương tác bazơ này được thực hiện trong rãnh chính, nơi các cơ sở dễ tiếp cận nhất. ^[25]

Các enzyme hạn chế EcoRV (màu xanh) trong một phức tạp với DNA bề mặt của nó ^[120]

Enzyme sửa đổi DNA

Nucleases và ligases

Nuclease là các enzym cắt sợi DNA bằng cách xúc tác quá trình thủy phân các liên kết phosphodiester . Các nuclease thủy phân nucleotide từ đầu sợi DNA được gọi là exonuclease , trong khi endonuclease cắt bên trong các sợi. Các nucleaza được sử dụng thường xuyên nhất trong sinh học phân tử là các endonucleaza giới hạn , cắt DNA tại các trình tự cụ thể. Ví dụ, enzyme EcoRV được hiển thị ở bên trái nhận ra trình tự 6 base 5′-GATATC-3 ′ và tạo ra một vết cắt ở đường ngang. Trong tự nhiên, các enzym này bảo vệ vi khuẩn chống lại sự lây nhiễm của phage bằng cách tiêu hóa DNA của phage khi nó xâm nhập vào tế bào vi khuẩn, hoạt động như một phần của hệ thống sửa đổi giới hạn . ^[121] Trong công nghệ, những nuclease đặc trưng cho trình tự này được sử dụng trong nhân bản phân tử và lấy dấu vân tay DNA .

Enzyme được gọi là DNA ligases có thể nối lại các sợi DNA bị cắt hoặc đứt. ^{[122] Các dây} thắt đặc biệt quan trọng trong quá trình sao chép DNA sợi chậm , vì chúng liên kết với nhau các đoạn DNA ngắn được tạo ra tại ngã ba sao chép thành một bản sao hoàn chỉnh của khuôn mẫu DNA. Chúng cũng được sử dụng trong sửa chữa DNA và tái tổ hợp di truyền . ^[122]

Topoisomerase và helicase

Topoisomerase là các enzym có cả hoạt tính nuclease và ligase. Các protein này thay đổi số lượng siêu mạch trong DNA. Một số enzyme này hoạt động bằng cách cắt chuỗi xoắn DNA và cho phép một phần quay, do đó làm giảm mức độ siêu cuộn của nó; Sau đó, enzyme sẽ niêm phong đoạn DNA bị đứt. ^[38] Các loại enzym khác có khả năng cắt một chuỗi xoắn DNA và sau đó đưa sợi DNA thứ hai qua đoạn đứt gãy này, trước khi nối lại chuỗi xoắn. ^[123] Topoisomerase là cần thiết cho nhiều quá trình liên quan đến DNA, chẳng hạn như sao chép và phiên mã DNA. ^[39]

Helicase là protein là một loại động cơ phân tử . Chúng sử dụng năng lượng hóa học trong nucleoside triphosphat , chủ yếu là adenosine triphosphate (ATP), để phá vỡ liên kết hydro giữa các base và tháo xoắn kép DNA thành các sợi đơn. ^[124] Các enzym này cần thiết cho hầu hết các quá trình mà enzym cần tiếp cận các cơ sở DNA.

Polymerase

Polymerase là các enzym tổng hợp chuỗi polynucleotide từ các nucleoside triphosphat . Trình tự các sản phẩm của chúng được tạo ra dựa trên các chuỗi polynucleotide hiện có — được gọi là các mẫu . Các enzym này hoạt động bằng cách thêm nhiều lần một nucleotide vào nhóm 3 ′ hydroxyl ở cuối chuỗi polynucleotide đang phát triển. Do đó, tất cả các polymerase đều hoạt động theo hướng 5 'đến 3'. ^[125] Tại vị trí hoạt động của các enzym này, các cặp bazơ nucleoside triphosphat đến khuôn mẫu: điều này cho phép các polymerase tổng hợp chính xác sợi bổ sung của khuôn mẫu của chúng. Các polymerase được phân loại theo loại mẫu mà chúng sử dụng.

Trong quá trình sao chép DNA, các polymerase DNA phụ thuộc DNA tạo ra các bản sao của chuỗi polynucleotide DNA. Để lưu giữ thông tin sinh học, điều cần thiết là trình tự các bazơ trong mỗi bản sao phải bổ sung chính xác cho trình tự các bazơ trong sợi tiêu bản. Nhiều DNA polymerase có hoạt động hiệu đính . Ở đây, polymerase nhận ra những sai lầm đôi khi trong phản ứng tổng hợp do thiếu sự bắt cặp bazơ giữa các nucleotide không khớp. Nếu phát hiện thấy sự không phù hợp, hoạt động exonuclease từ 3 ′ đến 5 ′ sẽ được kích hoạt và loại bỏ base không chính xác. ^[126] Ở hầu hết các sinh vật, DNA polymerase hoạt động trong một phức hợp lớn được gọi là replisome chứa nhiều tiểu đơn vị phụ, chẳng hạn như kẹp DNA hoặc các vòng xoắn . ^[127]

Các polymerase DNA phụ thuộc RNA là một nhóm polymerase chuyên biệt sao chép trình tự của một sợi RNA thành DNA. Chúng bao gồm enzyme sao chép ngược , là một loại enzyme virus liên quan đến quá trình lây nhiễm các tế bào bởi các retrovirus , và telomerase , cần thiết để sao chép các telomere. ^{[56] [128]} Ví dụ, enzym phiên mã ngược của HIV là một enzym để sao chép vi rút AIDS. ^[128] Telomerase là một polymerase bất thường vì nó chứa khuôn mẫu RNA của chính nó như một phần cấu trúc của nó. Nó tổng hợp các telomere ở các đầu của nhiễm sắc thể. Telomere ngăn cản sự hợp nhất của các đầu mút của các nhiễm sắc thể lân cận và bảo vệ các đầu mút của nhiễm sắc thể khỏi bị hư hại. ^[57]

Phiên mã được thực hiện bởi một RNA polymerase phụ thuộc DNA sao chép trình tự của một sợi DNA thành RNA. Để bắt đầu phiên mã gen, RNA polymerase liên kết với một chuỗi DNA được gọi là promoter và tách các sợi DNA. Sau đó, nó sao chép trình tự gen vào một bản sao RNA thông tin cho đến khi nó đến một vùng của DNA được gọi là vùng kết thúc , nơi nó dừng lại và tách ra khỏi DNA. Giống như các polymerase DNA phụ thuộc DNA của người, RNA polymerase II , enzyme phiên mã hầu hết các gen trong bộ gen người, hoạt động như một phần của phức hợp protein lớn với nhiều tiểu đơn vị phụ và điều chỉnh. ^[129]

Cấu trúc của tiếp điểm Holliday trung gian trong tái tổ hợp di truyền . Bốn sợi DNA riêng biệt có màu đỏ, xanh lam, xanh lục và vàng. ^[130]

Tái tổ hợp bao gồm sự phá vỡ và nối lại của hai nhiễm sắc thể (M và F) để tạo ra hai nhiễm sắc thể được sắp xếp lại (C1 và C2).

Một chuỗi xoắn DNA thường không tương tác với các đoạn DNA khác, và trong tế bào người, các nhiễm sắc thể khác nhau thậm chí còn chiếm những khu vực riêng biệt trong nhân được gọi là " lãnh thổ nhiễm sắc thể ". ^[131] Sự phân tách vật lý của các nhiễm sắc thể khác nhau này rất quan trọng đối với khả năng của DNA hoạt động như một kho lưu trữ thông tin ổn định, vì một trong số ít lần các nhiễm sắc thể tương tác là trong quá trình trao đổi chéo nhiễm sắc thể xảy ra trong quá trình sinh sản hữu tính , khi sự tái tổ hợp di truyền xảy ra. Trao đổi đoạn nhiễm sắc thể là khi hai chuỗi xoắn ADN đứt ra, hoán đổi một đoạn rồi nối lại với nhau.

Sự tái tổ hợp cho phép các nhiễm sắc thể trao đổi thông tin di truyền và tạo ra các tổ hợp gen mới, làm tăng hiệu quả của chọn lọc tự nhiên và có thể quan trọng trong sự tiến hóa nhanh chóng của các protein mới. ^[132] Sự tái tổ hợp di truyền cũng có thể tham gia vào quá trình sửa chữa DNA, đặc biệt trong phản ứng của tế bào đối với sự đứt gãy sợi kép. ^[133]

Hình thức trao đổi chéo nhiễm sắc thể phổ biến nhất là tái tổ hợp tương đồng , trong đó hai nhiễm sắc thể liên quan có trình tự rất giống nhau. Sự tái tổ hợp không tương đồng có thể gây hại cho tế bào, vì nó có thể tạo ra sự chuyển đoạn nhiễm sắc thể và những bất thường về di truyền. Phản ứng tái tổ hợp được xúc tác bởi các enzym được gọi là tái tổ hợp , chẳng hạn như RAD51 . ^[134] Bước đầu tiên trong quá trình tái tổ hợp là sự đứt gãy sợi kép do endonuclease hoặc DNA bị hư hỏng. ^[135] Một loạt các bước được xúc tác một phần bởi quá trình tái tổ hợp sau đó dẫn đến sự nối hai vòng xoắn bằng ít nhất một điểm nối Holliday , trong đó một đoạn của một sợi trong mỗi vòng xoắn được ủ với sợi bổ sung trong chuỗi xoắn kia. Tiếp giáp Holliday là một cấu trúc tiếp giáp tứ diện có thể di chuyển dọc theo cặp nhiễm sắc thể, hoán đổi sợi này cho sợi khác. Sau đó, phản ứng tái tổ hợp bị dừng lại bằng cách phân cắt đoạn nối và thắt lại DNA được giải phóng. ^[136] Chỉ những sợi giống DNA trao đổi phân cực trong quá trình tái tổ hợp. Có hai kiểu phân cắt: phân cắt đông tây và phân cắt bắc nam. Sự phân cắt bắc-nam kết hợp cả hai sợi DNA, trong khi sự phân cắt đông-tây có một sợi DNA nguyên vẹn. Sự hình thành tiếp giáp Holliday trong quá trình tái tổ hợp tạo ra khả năng đa dạng di truyền, các gen trao đổi trên nhiễm sắc thể và sự biểu hiện của bộ gen virus kiểu hoang dã.

DNA chứa thông tin di truyền cho phép tất cả các dạng sống hoạt động, phát triển và sinh sản. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ trong lịch sử 4 tỷ năm của sự sống, DNA đã thực hiện chức năng này trong bao lâu, vì người ta đã đề xuất rằng các dạng sự sống sớm nhất có thể đã sử dụng RNA làm vật liệu di truyền của chúng. ^{[137] [138]} RNA có thể đã đóng vai trò là phần trung tâm của quá trình chuyển hóa tế bào ban đầu vì nó có thể vừa truyền thông tin di truyền vừa thực hiện xúc tác như một phần của ribozyme . ^[139] Thế giới RNA cổ đại này nơi axit nucleic được sử dụng cho cả xúc tác và di truyền có thể đã ảnh hưởng đến sự tiến hóa của mã di truyền hiện tại dựa trên bốn cơ sở nucleotide. Điều này sẽ xảy ra, vì số lượng các bazơ khác nhau trong một sinh vật như vậy là sự đánh đổi giữa một số lượng nhỏ các bazơ làm tăng độ chính xác sao chép và một số lượng lớn các bazơ làm tăng hiệu quả xúc tác của ribozyme. ^[140] Tuy nhiên, không có bằng chứng trực tiếp về các hệ thống di truyền cổ đại, vì việc khôi phục DNA từ hầu hết các hóa thạch là không thể vì DNA tồn tại trong môi trường dưới một triệu năm và từ từ phân hủy thành các đoạn ngắn trong dung dịch. ^[141] Các tuyên bố về DNA cũ hơn đã được đưa ra, đáng chú ý nhất là một báo cáo về việc phân lập một vi khuẩn sống được từ một tinh thể muối 250 triệu năm tuổi, ^[142] nhưng những tuyên bố này còn gây tranh cãi. ^{[143] [144]}

Các khối cấu tạo của DNA ( adenin , guanin và các phân tử hữu cơ có liên quan ) có thể đã được hình thành từ ngoài trái đất trong không gian vũ trụ . ^{[145] [146] [147] Các} hợp chất hữu cơ phức tạp DNA và RNA của sự sống , bao gồm uracil , cytosine và thymine , cũng đã được hình thành trong phòng thí nghiệm trong điều kiện bắt chước những hợp chất được tìm thấy trong không gian vũ trụ , sử dụng các hóa chất ban đầu, chẳng hạn như pyrimidine , tìm thấy trong các thiên thạch . Pyrimidine, giống như hydrocacbon thơm đa vòng (PAHs), hóa chất giàu carbon nhất được tìm thấy trong vũ trụ , có thể đã được hình thành trong các sao khổng lồ đỏ hoặc trong các đám mây khí và bụi vũ trụ giữa các vì sao . ^[148]

Vào tháng 2 năm 2021, các nhà khoa học đã báo cáo lần đầu tiên giải trình tự DNA từ hài cốt động vật , ví dụ như voi ma mút hơn một triệu năm tuổi, đây là DNA cổ nhất được giải trình tự cho đến nay. ^{[149] [150]}

Kỹ thuật di truyền

Các phương pháp đã được phát triển để tinh sạch DNA từ sinh vật, chẳng hạn như chiết xuất phenol-chloroform , và để xử lý nó trong phòng thí nghiệm, chẳng hạn như phân hủy giới hạn và phản ứng chuỗi polymerase . Sinh học và hóa sinh hiện đại sử dụng chuyên sâu các kỹ thuật này trong công nghệ DNA tái tổ hợp. DNA tái tổ hợp là một chuỗi DNA nhân tạo đã được lắp ráp từ các chuỗi DNA khác. Chúng có thể được biến đổi thành các sinh vật ở dạng plasmid hoặc ở dạng thích hợp, bằng cách sử dụng vector virus . ^[151] Các sinh vật biến đổi gen được tạo ra có thể được sử dụng để sản xuất các sản phẩm như protein tái tổ hợp , được sử dụng trong nghiên cứu y tế , ^[152] hoặc được trồng trong nông nghiệp . ^{[153] [154]}

sao chép DNA

Các nhà khoa học pháp y có thể sử dụng DNA trong máu , tinh dịch , da , nước bọt hoặc tóc được tìm thấy tại hiện trường vụ án để xác định DNA phù hợp của một cá nhân, chẳng hạn như hung thủ. ^[155] Quá trình này chính thức được gọi là lập hồ sơ DNA , còn được gọi là dấu vân tay DNA . Trong cấu hình DNA, độ dài của các phần thay đổi của DNA lặp lại, chẳng hạn như các đoạn lặp lại ngắn và các tế bào minisatellite , được so sánh giữa người với người. Phương pháp này thường là một kỹ thuật cực kỳ đáng tin cậy để xác định một DNA phù hợp. ^[156] Tuy nhiên, việc xác định có thể phức tạp nếu hiện trường bị nhiễm DNA của một số người. ^{[157] Hồ} sơ DNA được phát triển vào năm 1984 bởi nhà di truyền học người Anh, Sir Alec Jeffreys , ^[158] và lần đầu tiên được sử dụng trong khoa học pháp y để kết tội Colin Pitchfork trong vụ án giết người ở Enderby năm 1988 . ^[159]

Sự phát triển của khoa học pháp y và khả năng hiện nay có được sự phù hợp di truyền trên các mẫu máu, da, nước bọt hoặc tóc nhỏ đã dẫn đến việc kiểm tra lại nhiều trường hợp. Bây giờ có thể phát hiện ra bằng chứng mà về mặt khoa học là không thể vào thời điểm kiểm tra ban đầu. Kết hợp với việc loại bỏ luật nguy hiểm kép ở một số nơi, điều này có thể cho phép các vụ án được mở lại khi các phiên tòa trước đó không đưa ra được đủ bằng chứng để thuyết phục bồi thẩm đoàn. Những người bị buộc tội nghiêm trọng có thể được yêu cầu cung cấp một mẫu DNA cho các mục đích phù hợp. Biện pháp bảo vệ rõ ràng nhất đối với các kết quả trùng khớp DNA thu được trước mắt là khẳng định rằng sự lây nhiễm chéo của bằng chứng đã xảy ra. Điều này đã dẫn đến các quy trình xử lý nghiêm ngặt tỉ mỉ với những trường hợp phạm tội nghiêm trọng mới.

Hồ sơ DNA cũng được sử dụng thành công để xác định tích cực nạn nhân của các vụ tai nạn hàng loạt, ^[160] thi thể hoặc bộ phận cơ thể trong các vụ tai nạn nghiêm trọng và các nạn nhân riêng lẻ trong các ngôi mộ chiến tranh hàng loạt, thông qua việc đối sánh với các thành viên gia đình.

Hồ sơ DNA cũng được sử dụng trong xét nghiệm quan hệ cha con DNA để xác định xem ai đó là cha mẹ ruột hoặc ông bà của một đứa trẻ với xác suất huyết thống thường là 99,99% khi cha mẹ được cho là có liên quan sinh học với đứa trẻ. Phương pháp giải trình tự DNA thông thường xảy ra sau khi sinh, nhưng có những phương pháp mới để kiểm tra quan hệ cha con khi người mẹ vẫn đang mang thai. ^[161]

Enzyme DNA hoặc DNA xúc tác

Deoxyribozyme , còn được gọi là DNAzyme hoặc DNA xúc tác, được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1994. ^[162] Chúng hầu hết là các chuỗi DNA sợi đơn được phân lập từ một nhóm lớn các chuỗi DNA ngẫu nhiên thông qua phương pháp tổ hợp được gọi là chọn lọc trong ống nghiệm hoặc sự tiến hóa có hệ thống của các phối tử bằng cách làm giàu theo cấp số nhân (SELEX). DNAzyme xúc tác nhiều loại phản ứng hóa học bao gồm phân cắt RNA-DNA, thắt RNA-DNA, phosphoryl hóa axit amin-dephosphoryl hóa, hình thành liên kết carbon-carbon, v.v. DNAzyme có thể nâng cao tốc độ xúc tác của các phản ứng hóa học lên đến 100.000.000.000 lần so với phản ứng không xúc tác. ^[163] Loại DNAzyme được nghiên cứu rộng rãi nhất là các loại phân cắt RNA được sử dụng để phát hiện các ion kim loại khác nhau và thiết kế các tác nhân điều trị. Một số DNAzyme đặc hiệu cho kim loại đã được báo cáo bao gồm DNAzyme GR-5 (dành riêng cho chì), ^[162] DNAzyme CA1-3 (dành riêng cho đồng), ^[164] DNAzyme 39E (dành riêng cho uranyl) và DNAzyme NaA43 ( natri cụ thể). ^[165] NaA43 DNAzyme, được báo cáo là có tính chọn lọc natri hơn 10.000 lần so với các ion kim loại khác, được sử dụng để tạo cảm biến natri thời gian thực trong tế bào.

Tin sinh học

Tin sinh học liên quan đến việc phát triển các kỹ thuật để lưu trữ, khai thác dữ liệu , tìm kiếm và thao tác dữ liệu sinh học, bao gồm dữ liệu trình tự axit nucleic DNA . Những điều này đã dẫn đến những tiến bộ được áp dụng rộng rãi trong khoa học máy tính , đặc biệt là các thuật toán tìm kiếm chuỗi , học máy và lý thuyết cơ sở dữ liệu . ^{[166] Các} thuật toán tìm kiếm hoặc đối sánh chuỗi, tìm kiếm sự xuất hiện của một chuỗi các chữ cái bên trong một chuỗi các chữ cái lớn hơn, được phát triển để tìm kiếm các trình tự cụ thể của nucleotide. ^[167] Trình tự DNA có thể được căn chỉnh với các trình tự DNA khác để xác định các trình tự tương đồng và xác định vị trí các đột biến cụ thể khiến chúng trở nên khác biệt. Những kỹ thuật này, đặc biệt là liên kết nhiều trình tự , được sử dụng để nghiên cứu các mối quan hệ phát sinh loài và chức năng của protein. ^[168] Các bộ dữ liệu đại diện cho toàn bộ giá trị của bộ gen, chẳng hạn như bộ gen do Dự án bộ gen người tạo ra , rất khó sử dụng nếu không có chú thích xác định vị trí của gen và các yếu tố điều hòa trên mỗi nhiễm sắc thể. Các vùng của trình tự DNA có các kiểu đặc trưng liên quan đến gen mã hóa protein hoặc RNA có thể được xác định bằng các thuật toán tìm gen , cho phép các nhà nghiên cứu dự đoán sự hiện diện của các sản phẩm gen cụ thể và các chức năng có thể có của chúng trong một sinh vật ngay cả trước khi chúng được phân lập bằng thực nghiệm. ^[169] Toàn bộ bộ gen cũng có thể được so sánh, điều này có thể làm sáng tỏ lịch sử tiến hóa của một sinh vật cụ thể và cho phép kiểm tra các sự kiện tiến hóa phức tạp.

Công nghệ nano DNA

Cấu trúc DNA ở bên trái (được hiển thị trên sơ đồ) sẽ tự lắp ráp thành cấu trúc được hiển thị bằng kính hiển vi lực nguyên tử ở bên phải. Công nghệ nano DNA là lĩnh vực tìm cách thiết kế các cấu trúc kích thước nano bằng cách sử dụng các đặc tính nhận dạng phân tử của phân tử DNA. Hình ảnh từ Strong, 2004 .

Công nghệ nano DNA sử dụng các đặc tính nhận dạng phân tử duy nhất của DNA và các axit nucleic khác để tạo ra các phức hợp DNA nhánh tự lắp ráp với các đặc tính hữu ích. ^[170] Vì vậy, DNA được sử dụng làm vật liệu cấu trúc hơn là vật mang thông tin sinh học. Điều này đã dẫn đến việc tạo ra các mạng tuần hoàn hai chiều (cả dựa trên gạch và sử dụng phương pháp origami DNA ) và các cấu trúc ba chiều trong hình dạng của các khối đa diện . ^{[171] Các} thiết bị cơ nano và quá trình tự lắp ráp theo thuật toán cũng đã được chứng minh, ^[172] và các cấu trúc DNA này đã được sử dụng để làm khuôn mẫu cho sự sắp xếp của các phân tử khác như hạt nano vàng và protein streptavidin . ^[173]

Lịch sử và nhân chủng học

Bởi vì DNA thu thập các đột biến theo thời gian, sau đó được di truyền, nó chứa thông tin lịch sử, và bằng cách so sánh trình tự DNA, các nhà di truyền học có thể suy ra lịch sử tiến hóa của sinh vật, sự phát sinh loài của chúng . ^[174] Lĩnh vực phát sinh loài này là một công cụ mạnh mẽ trong sinh học tiến hóa . Nếu trình tự DNA trong một loài được so sánh, các nhà di truyền học quần thể có thể tìm hiểu lịch sử của các quần thể cụ thể. Điều này có thể được sử dụng trong các nghiên cứu từ di truyền sinh thái học đến nhân chủng học .

Lưu trữ thông tin

DNA như một thiết bị lưu trữ thông tin có tiềm năng to lớn vì nó có mật độ lưu trữ cao hơn nhiều so với các thiết bị điện tử. Tuy nhiên, chi phí cao, thời gian đọc và ghi chậm ( độ trễ của bộ nhớ ) và không đủ độ tin cậy đã ngăn cản việc sử dụng thực tế của nó. ^{[175] [176]}

Maclyn McCarty (trái) bắt tay với Francis Crick và James Watson , những người đồng sáng lập mô hình chuỗi xoắn kép.

Bản phác thảo bằng bút chì về chuỗi xoắn kép DNA của Francis Crick vào năm 1953

DNA lần đầu tiên được phân lập bởi bác sĩ người Thụy Sĩ Friedrich Miescher , người vào năm 1869, đã phát hiện ra một chất cực nhỏ trong mủ của băng phẫu thuật bị loại bỏ. Vì nó nằm trong nhân tế bào nên ông gọi nó là "nuclein". ^{[177] [178]} Năm 1878, Albrecht Kossel cô lập thành phần phi protein của "nuclein", axit nucleic, và sau đó cô lập năm nucleobase chính của nó . ^{[179] [180]}

Năm 1909, Phoebus Levene đã xác định được đơn vị nucleotide bazơ, đường và photphat của RNA (sau đó được đặt tên là "axit nucleic của nấm men"). ^{[181] [182] [183]} Năm 1929, Levene xác định được đường deoxyribose trong "axit nucleic tuyến ức" (DNA). ^[184] Levene cho rằng DNA bao gồm một chuỗi bốn đơn vị nucleotide liên kết với nhau thông qua các nhóm phosphate ("giả thuyết tetranucleotide"). Levene nghĩ rằng chuỗi ngắn và các cơ sở lặp lại theo một thứ tự cố định. Năm 1927, Nikolai Koltsov đề xuất rằng các đặc điểm thừa hưởng sẽ được di truyền thông qua một "phân tử di truyền khổng lồ" được tạo thành từ "hai sợi gương sẽ sao chép theo kiểu bán bảo thủ bằng cách sử dụng mỗi sợi làm khuôn mẫu". ^{[185] [186]} Năm 1928, Frederick Griffith trong thí nghiệm của mình đã phát hiện ra rằng các đặc điểm từ dạng "mịn" của Pneumococcus có thể được chuyển sang dạng "thô" của cùng một loại vi khuẩn bằng cách trộn vi khuẩn "mịn" đã chết với dạng sống "thô. " hình thức. ^{[187] [188]} Hệ thống này cung cấp gợi ý rõ ràng đầu tiên rằng DNA mang thông tin di truyền.

Năm 1933, trong khi nghiên cứu trứng nhím biển còn trinh , Jean Brachet cho rằng DNA được tìm thấy trong nhân tế bào và RNA chỉ có trong tế bào chất . Vào thời điểm đó, "axit nucleic của nấm men" (RNA) được cho là chỉ xuất hiện ở thực vật, trong khi "axit nucleic của tuyến ức" (DNA) chỉ có ở động vật. Chất thứ hai được cho là một chất tetramer, với chức năng đệm pH của tế bào. ^{[189] [190]}

Năm 1937, William Astbury đưa ra các mẫu nhiễu xạ tia X đầu tiên cho thấy DNA có cấu trúc đều đặn. ^[191]

Năm 1943, Oswald Avery , cùng với các đồng nghiệp Colin MacLeod và Maclyn McCarty , đã xác định DNA là nguyên lý biến đổi , ủng hộ gợi ý của Griffith ( thí nghiệm Avery – MacLeod – McCarty ). ^[192] Cuối năm 1951, Francis Crick bắt đầu làm việc với James Watson tại Phòng thí nghiệm Cavendish thuộc Đại học Cambridge . Vai trò của DNA đối với tính di truyền được xác nhận vào năm 1952 khi Alfred Hershey và Martha Chase trong thí nghiệm Hershey – Chase cho thấy DNA là vật chất di truyền của thực khuẩn thể ruột T2 . ^[193]

Một tấm bảng màu xanh bên ngoài quán rượu The Eagle tưởng nhớ Crick và Watson

Vào tháng 5 năm 1952, Raymond Gosling , một nghiên cứu sinh làm việc dưới sự giám sát của Rosalind Franklin , đã chụp một hình ảnh nhiễu xạ tia X , được dán nhãn là " Ảnh 51 ", ^[194] ở mức độ hydrat hóa cao của DNA. Bức ảnh này được Maurice Wilkins tặng cho Watson và Crick và có vai trò quan trọng trong việc họ có được cấu trúc chính xác của DNA. Franklin nói với Crick và Watson rằng xương sống phải ở bên ngoài. Trước đó, Linus Pauling, Watson và Crick, đã có những mô hình sai lầm với dây xích bên trong và phần đế hướng ra ngoài. Việc xác định nhóm không gian cho các tinh thể DNA của cô đã tiết lộ cho Crick rằng hai sợi DNA là đối cực . ^[195]

Vào tháng 2 năm 1953, Linus Pauling và Robert Corey đã đề xuất một mô hình cho các axit nucleic chứa ba chuỗi đan xen nhau, với các phốt phát ở gần trục, và các bazơ ở bên ngoài. ^[196] Watson và Crick đã hoàn thành mô hình của họ, mô hình này hiện được chấp nhận là mô hình chính xác đầu tiên của chuỗi xoắn kép DNA . Vào ngày 28 tháng 2 năm 1953, Crick đã làm gián đoạn bữa ăn trưa của khách hàng quen tại quán rượu The Eagle ở Cambridge để thông báo rằng ông và Watson đã "khám phá ra bí mật của cuộc sống". ^[197]

Số ra ngày 25 tháng 4 năm 1953 của tạp chí Nature đã xuất bản một loạt năm bài báo đưa ra DNA cấu trúc chuỗi xoắn kép Watson và Crick và bằng chứng hỗ trợ nó. ^[198] Cấu trúc này đã được báo cáo trong một bức thư có tiêu đề " CẤU TRÚC RẤT NHIỀU CỦA CÁC AXIT HẠT NHÂN Cấu trúc cho Axit Deoxyribose Nucleic ", trong đó họ nói, "Chúng tôi không tránh khỏi thông báo rằng việc ghép nối cụ thể mà chúng tôi đã công bố ngay lập tức gợi ý một cơ chế sao chép khả thi đối với vật liệu di truyền. " ^{[9] Sau} bức thư này là một bức thư của Franklin và Gosling, đây là lần xuất bản đầu tiên về dữ liệu nhiễu xạ tia X của riêng họ và về phương pháp phân tích ban đầu của họ. ^{[42] [199]} Sau đó, theo sau một bức thư của Wilkins và hai đồng nghiệp của ông, trong đó có phân tích các mẫu tia X B-DNA in vivo và hỗ trợ sự hiện diện in vivo của cấu trúc Watson và Crick. ^[43]

Năm 1962, sau cái chết của Franklin, Watson, Crick và Wilkins cùng nhận giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học . ^[200] Giải Nobel chỉ được trao cho những người nhận giải còn sống. Một cuộc tranh luận tiếp tục về việc ai sẽ nhận được tín dụng cho khám phá này. ^[201]

Trong một bài thuyết trình có ảnh hưởng vào năm 1957, Crick đã đưa ra tín điều trọng tâm của sinh học phân tử , trong đó báo trước mối quan hệ giữa DNA, RNA và protein, đồng thời nêu rõ "giả thuyết bộ điều hợp". ^[202] Xác nhận cuối cùng về cơ chế sao chép được ngụ ý bởi cấu trúc xoắn kép được thực hiện vào năm 1958 thông qua thí nghiệm Meselson-Stahl . ^[203] Các nghiên cứu sâu hơn của Crick và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng mã di truyền dựa trên các bộ ba bazơ không chồng chéo, được gọi là codon , cho phép Har Gobind Khorana , Robert W. Holley và Marshall Warren Nirenberg giải mã mã di truyền. ^[204] Những phát hiện này đại diện cho sự ra đời của sinh học phân tử . ^[205]