DNA

Το DNA (πλήρες όνομα: δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ, αγγλικά: deoxyribonucleic acid) είναι ένα χημικό μακρομόριο και συγκεκριμένα νουκλεϊκό οξύ, που αποτελεί το γενετικό υλικό όλων των ζωντανών οργανισμών καθώς και των περισσοτέρων ιών (κάποιοι ιοί έχουν ως γενετικό υλικό RNA). Στο DNA περιέχονται οι πληροφορίες που καθορίζουν όλα τα χαρακτηριστικά ενός οργανισμού και οι οποίες οργανώνονται σε λειτουργικές μονάδες, τα γονίδια. Μέσω της αντιγραφής του DNA διατηρείται και μεταβιβάζεται η γενετική πληροφορία από κύτταρο σε κύτταρο και από έναν οργανισμό στους απογόνους του. Επίσης το DNA επιτυγχάνει την έκφραση των γενετικών πληροφοριών ελέγχοντας την σύνθεση των πρωτεϊνών.

 Η αποκωδικοποίηση του DNA, η αποσαφήνιση δηλαδή του τρόπου με τον οποίο η δομή του DNA καθορίζει συγκεκριμένες γενετικές επιλογές, επέτρεψε στους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα την γενετική της ζωής και την κληρονομικότητα ορισμένων χαρακτηριστικών και νόσων. Επειδή το DNA στα ορισμένα του σημεία είναι ξεχωριστό στον κάθε άνθρωπο, έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι βασιζόμενες στην ταυτοποίηση του DNA και βρίσκουν εφαρμογή στην Ιατροδικαστική και στην Εγκληματολογία καθώς επίσης και στην αποσαφήνιση οικογενειακών σχέσεων μεταξύ ατόμων. Τα τελευταία χρόνια γίνεται πιο εντατική η χρήση του DNA και στις μελέτες της ιστορίας και της ανθρωπολογίας. Η ανακάλυψη της δομής του DNA πραγματοποιήθηκε το 1953 από τους Franklin (Φράνκλιν), Τζέιμς Γουάτσον (James D. Watson) και Φράνσις Κρικ (Francis Crick). Από πολλούς η ανακάλυψη της διπλής έλικας του DNA θεωρείται ως η μεγαλύτερη βιολογική ανακάλυψη του 20ού αιώνα. Για τη συνεισφορά τους στη μελέτη της δομής του DNA, οι Γουάτσον και Κρικ μοιράστηκαν το 1962 το Βραβείο Νόμπελ με τον Μόρις Γουίλκινς, αντίθετα, η σημαντική ερευνητική συνεισφορά της Ρόζαλιν Φράνκλιν δεν αναγνωρίστηκε τότε. Πρόκειται για μεγαλομοριακή ένωση που συγκροτείται από αζωτούχες-πρωτεϊνικές βάσεις, φωσφορικές ρίζες και ένα σάκχαρο με πέντε άτομα άνθρακα (πεντόζη), την δε(σ)οξυριβόζη. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα ανιχνεύεται κυρίως μέσα στον πυρήνα του κυττάρου αλλά και σε μερικά άλλα οργανίδια, όπως τα μιτοχόνδρια και τα πλαστίδια, επιτρέποντάς τους να αναπαράγονται αυτόνομα (ημιαυτόνομα οργανίδια). Το σύνολο των μορίων DNA που υπάρχουν σε ένα κύτταρο αποτελούν το γενετικό υλικό του. To DNA είναι ο φορέας των γενετικών πληροφοριών του κυττάρου, όχι μόνον με την έννοια της μεταβίβασης χαρακτηριστικών, αναλοίωτων από γενεά σε γενεά, αλλά και της ρύθμισης της φυσιογνωμίας εξειδίκευσης κάθε κυττάρου για την επιτέλεση των ιδιαίτερων λειτουργιών του. Τέλος, το DNA επιτρέπει τη δημιουργία γενετικής ποικιλότητας, υφιστάμενο μεταλλάξεις. Η διαμόρφωση των μεγάλων μορίων του DNA στο χώρο έχει τη μορφή δύο επιμήκων αλύσεων, οι οποίες συστρέφονται ελικοειδώς μεταξύ τους. Οι αζωτούχες βάσεις στο DNA είναι τέσσερις: κυτοσίνη C γουανίνη G θυμίνη T αδενίνη AΟι αζωτούχες βάσεις, ανάλογα με την σειρά αλληλουχίας τους σε τριάδες, κωδικοποιούν το μήνυμα για τη σύνθεση των αμινοξέων του κυττάρου στα ριβοσώματα. Εκεί τα αμινοξέα συνδυάζονται, με τη σειρά κατά την οποία μεταφέρθηκαν στο ριβόσωμα και συντίθενται έτσι οι διαφορετικές πρωτεΐνες. Πρίν από κάθε διαίρεση το γενετικό υλικό αντιγράφεται. Κάθε δίκλωνο DNA φτιάχνει δυο ακριβή αντίγραφα του εαυτού του μέσω μίας διαδικασίας που καλείται αντιγραφή (replication). Κατά τη διαδικασία αυτή κάθε αλυσίδα του DNA χρησιμεύει ως καλούπι για να συντεθεί η συμπληρωματική και αντιπαράλληλη της θυγατρική αλυσίδα. Έτσι στο τέλος της διαδικασίας προκύπτουν δύο δίκλωνα μόρια DNA, που το καθένα αποτελείται από μια πατρική και μια θυγατρική αλυσίδα. Ο τρόπος αυτός της αντιγραφής ονομάζεται ημισυντηρητικός. Το πείραμα των Μέζελσον (Meselson) και Στάλ (Stahl)(1958) στο βακτήριο Ε. coli, έδωσε την απόδειξη για τον ημισυντηρητικό τρόπο διπλασιασμού του DNA. Το 1953 οι Τζέιμς Γουάτσον (J. Watson), και Φράνσις Κρικ, (F. Crick), δύο ερευνητές που εργάζονταν στο Πανεπιστήμιο του Καίμπριτζ παρουσίασαν ένα «μοντέλο» της δομής του DNA, που ονομάσθηκε «μοντέλο της διπλής έλικας του DNA», βασισμένο στις παρατηρήσεις της Ρόζαλιντ Φράνκλιν. Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό το μόριο του DNA προυσιάζεται με τα ακόλουθα τέσσερα βασικά χαρακτηριστικά: Αποτελείται από δύο πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες σε μορφή δύο αντιτακτών κλώνων που σχηματίζουν δεξιόστροφη διπλή έλικα. Οι αζωτούχες βάσεις κάθε κλώνου είναι κάθετες ως προς τον άξονα του μορίου και προεξέχουν προς το εσωτερικό της συστροφής αφού είναι υδρόφοβες, ενώ ο σκελετός που σχηματίζεται από επαναλαμβανόμενα μόρια φωσφορικής ομάδας - πεντόζης είναι υδρόφιλος. Οι δύο δημιουργούμενοι κλώνοι συγκρατούνται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου. Τα δε ζευγάρια των αζωτούχων βάσεων όπου αναπτύσσονται μεταξύ τους δεσμοί υδρογόνου είναι καθορισμένα: η αδενίνη με τη θυμίνη και η γουανίνη με την κυτοσίνη. Μεταξύ της αδενίνης και της θυμίνης σχηματίζονται δύο δεσμοί υδρογόνου , ενώ μεταξύ της γουανίνης και της κυτοσίνης τρεις δεσμοί υδρογόνου. Οι δεσμοί υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ των βάσεων σταθεροποιούν τη δευτεροταγή δομη του μορίου (DNA). Οι δύο αλυσίδες (κλώνοι) είναι συμπληρωματικές, δηλαδή η αλληλουχία της μίας καθορίζει την αλληλουχία της αλλης. Οι δυο αλυσίδες είναι αντιπαράλληλες, δηλαδή απέναντι από το 3' άκρο της μίας βρίσκεται απέναντι από το 5' άκρο της άλλης. Η ανακάλυψη ότι το DNA είναι ο φορέας της γενετικής πληροφορίας είναι το αποτέλεσμα μιας σειράς επιστημονικών ερευνών που διήρκεσε πολλά χρόνια. Ενώ η ύπαρξη του στον πυρήνα των κυττάρων πιστοποιήθηκε ήδη από το 1869, ήταν στα μέσα του 20ού αιώνα που οι ερευνητές ξεκίνησαν να υποθέτουν ότι μπορεί να αποθηκεύει γενετική πληροφορία. Τα νουκλεϊκά οξέα ανακαλύφθηκαν το 1869 από τον γερμανό Φρίντριχ Μίσερ. Ο Μίσερ ανακάλυψε μέσα σε πυρήνες κυττάρων την ύπαρξη μιας ουσίας με συγκεκριμένη όξινη αντίδραση (εξού και «οξύ»). Την ουσία αυτή ονόμασε νουκλεΐνη (γερμανικά Nuklein) από το λατινικό nucleus που σημαίνει «πυρήνας». Λίγο αργότερα απομόνωσε από το σπέρμα σολωμού δείγμα της ουσίας που σήμερα αποκαλούμε DNA και το 1889 ο μαθητής του Ρίτσαρντ Άλτμαν την ονόμασε Nukleinsäure (οξύ της νουκλεΐνης δηλ. νουκλεϊνικό οξύ). Την ίδια περίπου εποχή ο μοναχός Γκρέγκορ Μέντελ ανακάλυπτε τους νόμους της Γενετικής. Πέρασαν όμως 75 χρόνια προκειμένου να φανεί ότι η ανακάλυψη του Μίσερ αποτελούσε τη μοριακή βάση της ανακάλυψης του Μέντελ. Σημαντικό ρόλο στην ανακάλυψη του γενετικού ρόλου του DNA είχε τo βακτήριο του πνευμονιόκοκκου (Diplococcus pneumoniae – σημερινή ονομασία Streptococcus pneumoniae). Το 1928 ο Φρεντ Γκρίφιθ χρησιμοποίησε δύο στελέχη του συγκεκριμένου βακτηρίου, τα οποία ξεχωρίζουν μορφολογικά όταν καλλιεργηθούν σε θρεπτικό υλικό λόγω της παρουσίας ή μη ενός ελύτρου (= περίβλημα). Πιο συγκεκριμένα, συνηθίζεται να αναφερόμαστε: στο λείο βακτήριο, δηλαδή το στέλεχος που είχε έλυτρο (συμβολίζεται με S από το αγγλικό smooth = λείος) επειδή δημιουργεί λείες αποικίες ενώ ταυτόχρονα είναι παθογόνο, και στο αδρό βακτήριο, δηλαδή το στέλεχος που δεν είχε έλυτρο (συμβολίζεται με R από το αγγλικό rough = αδρός) επειδή δημιουργεί αδρές αποικίες και δεν είναι παθογόνο.Το πείραμα έγινε in vivo. Ο Γκρίφιθ ανακάλυψε ότι το μη παθογόνο βακτήριο (R) μπορεί να μετατραπεί σε παθογόνο (S), χορηγώντας σε ένα ποντίκι ένα μείγμα βακτηρίων από ζωντανά αδρά βακτήρια και νεκρά λεία βακτήρια. Το μείγμα αποδείχτηκε παθογόνο, ενώ καθένα από τα συστατικά του από μόνο του δεν ήταν. Τόσο τα ζωντανά αδρά βακτήρια όσο και τα νεκρά λεία βακτήρια από μόνα τους δεν ήταν παθογόνα. Ο Γκρίφιθ συμπέρανε ότι με κάποιο τρόπο μερικά αδρά βακτήρια μετασχηματίστηκαν σε λεία παθογόνα, χωρίς όμως να δώσει ικανοποιητική εξήγηση για τον τρόπο που γίνεται κάτι τέτοιο. Η απάντηση δόθηκε το 1944, όταν οι Όσβαλντ Έιβερι, Κόλιν Μακλέοντ και Μακλίν Μακάρτι επανέλαβαν τα πειράματα του Γκρίφιθ σε δοκιμαστικό σωλήνα εργαστηρίου (in vitro). Ο Έιβερι και οι συνεργάτες του διαχώρισαν τα διάφορα συστατικά των νεκρών λείων βακτηρίων σε υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, RNA, DNA κ.α. και ερεύνησαν ποιο από αυτά μπορούσε να μετασχηματίσει τους αδρούς πνευμονιόκοκκους. Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι το συστατικό που προκαλούσε το μετασχηματισμό των αδρών βακτηρίων σε λεία ήταν το DNA. Ένα τέτοιο εύρημα ήταν μία πολύ καλή απόδειξη ότι το DNA αποτελεί το γενετικό υλικό και αποτέλεσε την αρχή μιας επαναστατικής περιόδου για τις βιολογικές επιστήμες. Η οριστική όμως επιβεβαίωση ότι το DNA αποτελεί το γενετικό υλικό έγινε 8 χρόνια αργότερα. Το 1952, δύο επιστήμονες, ο Άλφρεντ Χέρσεϊ και η Μάρθα Τσέις χρησιμοποίησαν βακτηριοφάγους Τ2, δηλαδή ιούς που προσβάλλουν βακτήρια, τους οποίους είχαν ιχνηθετήσει με ραδιενεργό φωσφόρο-32. Ο φωσφόρος-32 ενσωματώνεται στο DNA των βακτηριοφάγων, αλλά όχι στα αμινοξέα που βρίσκονται στο περίβλημά τους. Με αυτούς τους φάγους μόλυναν βακτήρια Escherichia coli και παρατήρησαν ότι τα βακτήρια εξέπεμπαν ραδιενέργεια. Έτσι συμπέραναν ότι το DNA εισήλθε στα βακτήρια. Στην συνέχεια, σε ένα δεύτερο πείραμα ιχνηθέτησαν φάγους Τ2 με ραδιενεργό Θείο-35, το οποίο ενσωματώνεται μόνο στα αμινοξέα μεθειονίνη και κυστεΐνη και όχι στο DNA και επανέλαβαν την προηγούμενη διαδικασία. Το αποτέλεσμα ήταν τα βακτήρια να μην εκπέμπουν ραδιενέργεια. Έτσι, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό που εισέρχεται στα βακτήρια και περιέχει την πληροφορία για τον πολλαπλασιασμό των φάγων, ενώ τα πρωτεϊνικά περιβληματά τους δεν εισέρχονται στα βακτήρια. Σημείο σταθμό σε αυτή τη περίοδο αποτελεί η ανακάλυψη της δομής του DNA που πραγματοποιήθηκε το 1953 από τους Τζέιμς Γουάτσον (Αμερικανός) και Φράνσις Κρικ, Βρετανός, ερευνητές που εργάζονταν στο Πανεπιστήμιο του Καίμπριτζ. Η ανακάλυψη τους, όμως, μάλλον θα πρέπει να αντιμετωπίζεται ως το αποτέλεσμα μιας σειράς σχετικών ερευνητικών δεδομένων, παρά ως μια μεμονωμένη 'επαναστατική' ανακάλυψη. Για παράδειγμα, από το 1948 ο Λίνους Πάουλινγκ είχε ανακαλύψει ότι αρκετές πρωτεϊνες περιλάμβαναν σχήματα με ελικοειδή δομή, πραγματοποιώντας πειράματα με χρήση ακτίνων Χ. Επίσης, από το 1947 ο Έρβιν Τσάργκραφ είχε παρατηρήσει κάτι χαρακτηριστικό: σε οποιοδήποτε δείγμα DNA, τo ποσοστό των νουκλεοτιδίων που έχουν ως αζωτούχο βάση την αδενίνη είναι ίσο με τo ποσοστό των νουκλεοτιδίων που έχουν ως αζωτούχο βάση τη θυμίνη, ενώ τo ποσοστό των νουκλεοτιδίων που έχουν ως αζωτούχο βάση την γουανίνη είναι ίσο με τo ποσοστό των νουκλεοτιδίων που έχουν ως αζωτούχο βάση την κυτοσίνη. Οι Γουάτσον και Κρικ βασίστηκαν ιδιαίτερα στην έρευνα της Ρόζαλιντ Φράνκλιν. Συγκεκριμένα, στηρίχθηκαν στα εξής: Μια φωτογραφία του DNA που ο Μόρις Γουΐλκινς είχε πάρει από το γραφείο της Φράνκλιν και την έδειξε στον Γουάτσον. Εκείνος αναγνώρισε τη διπλή έλικα, κάτι που τον στήριξε στη συνέχιση των ερευνών του. Οι μετρήσεις της Φράνκλιν στο κυτταρικό DNA όπως παρουσιάζονταν σε μια μη δημόσια έκθεση που είδε ο Κρικ. Έτσι αντιλήφθηκε ότι οι δύο έλικες του DNA κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις (είναι αντιπαράλληλες).Η προσφορά της Φράνκλιν, που πέθανε σε μικρή ηλικία (37) από καρκίνο των ωοθηκών λόγω των ραδιενεργών υλικών που χρησιμοποιούσε στη δουλειά της, αναγνωρίστηκε μετά τον θάνατό της. Δεν έγινε δυνατό να της απονεμηθεί το βραβείο Νόμπελ, όπως έγινε με τους άλλους τρεις ερευνητές, καθώς το βραβείο απονέμεται μόνο σε πρόσωπα εν ζωή. Τα αποτελέσματα των εργασιών των Γουάτσον και Κρικ καθώς και τα αποτελέσματα των εργασιών των Φράνκλιν και Γουΐλκινς ανακοινώθηκαν στις 25 Απριλίου 1953, στο ίδιο τεύχος του περιοδικού Nature. Για τη συνεισφορά τους στη μελέτη της δομής του DNA, οι Γουάτσον και Κρικ μοιράστηκαν το 1962 το Βραβείο Νομπέλ με τον Μόρις Γουΐλκινς. To 1957 οι Γουάτσον και Κρικ πρότειναν το κεντρικό δόγμα της Μοριακής Βιολογίας, στο οποίο περιγράφουν τη διαδικασία με την οποία παράγονται πρωτεΐνες από το DNA του πυρήνα. Σημαντικά επίσης σημεία της έρευνας σχετικά με το DNA αποτελούν η ανακάλυψη του μηχανισμού σύνθεσης του DNA από τον Άρθουρ Κόρνμπεργκ το 1956 και η ανακάλυψη του γενετικού κώδικα από τον Μάρσαλ Νίρενμπεργκ το 1961. https://www.eionet.europa.eu/gemet/el/concept/2279