1.1 DNA-struktur og replikasjon

Den lille koden som styrer alt liv

Tenk deg at hver eneste celle i kroppen din bærer på en bruksanvisning så detaljert at den beskriver hvordan du skal bygges, vedlikeholdes og fungere – fra fargen på øynene dine til hvordan immunforsvaret ditt gjenkjenner en virus. Denne bruksanvisningen er skrevet med bare fire bokstaver, og den ligger sammenkveilet inne i nesten alle cellene dine. Vi kaller den DNA, deoksyribonukleinsyre.

Da James Watson og Francis Crick i 1953 endelig forsto hvordan DNA er bygd opp, var det et av de største gjennombruddene i biologiens historie. Plutselig kunne man forstå hvordan arv fungerer på molekylnivå, og grunnlaget for moderne molekylærbiologi og bioteknologi var lagt. I dette kapittelet skal du bli kjent med byggesteinene i DNA, den berømte dobbeltheliksen, og hvordan molekylet klarer å kopiere seg selv nøyaktig hver gang en celle deler seg.

Byggesteinene: nukleotidene

DNA er et langt kjedemolekyl – et polymer – satt sammen av mange små enheter som kalles nukleotider. Hver nukleotid har tre deler, og det er verdt å kjenne dem godt.

Den første delen er en fosfatgruppe ($PO_4^{3-}$). Det er fosfatgruppene som binder nukleotidene sammen til en kjede gjennom såkalte fosfodiesterbindinger, og de gir DNA-et en negativt ladet «ryggrad». Den andre delen er sukkeret deoksyribose, et femkarbon-sukker der karbonatomene nummereres fra 1' til 5'. Akkurat dette sukkeret skiller DNA fra RNA: i RNA brukes ribose, som har en ekstra OH-gruppe på 2'-karbonet. Sukkeret binder seg til fosfatgruppen via sitt 5'-karbon, og til neste nukleotid via sitt 3'-karbon. Dette gir DNA-kjeden en bestemt retning, fra 5'-enden til 3'-enden.

Den tredje delen er en nitrogenbase, og det er her informasjonen ligger. Det finnes fire baser, delt i to grupper. Purinene adenin (A) og guanin (G) har en dobbeltring-struktur. Pyrimidinene cytosin (C) og tymin (T) har en enkeltring-struktur. Rekkefølgen av disse fire basene langs kjeden er selve den genetiske teksten – koden som forteller cellen alt den trenger å vite.

Dobbeltheliksen og baseparingsreglene

Watson og Cricks store innsikt var at DNA ikke består av én, men to kjeder som vrir seg om hverandre i en spiral – en dobbeltheliks. De bygde modellen sin på røntgenbilder tatt av Rosalind Franklin og Maurice Wilkins.

De to kjedene løper i hver sin retning, antiparallelt: den ene 5'→3', den andre 3'→5'. Sukker-fosfat-ryggraden ligger på utsiden, mens basene peker innover og holder de to trådene sammen ved hjelp av hydrogenbindinger. Det er omtrent 10 basepar for hver omdreining av spiralen, og heliksen er rundt 2 nm i diameter. Langs utsiden finner vi en bred stor fure og en smalere lille fure – og det er i den store furen at proteiner som transkripsjonsfaktorer ofte binder seg for å lese av DNA-et.

Det helt avgjørende er at basene parer seg på en bestemt måte: A binder alltid med T (med to hydrogenbindinger), og G binder alltid med C (med tre hydrogenbindinger). Denne komplementære baseparingen forklarer noe Erwin Chargaff hadde oppdaget allerede tidligere: i DNA fra en hvilken som helst organisme er mengden A alltid lik mengden T, og mengden G lik mengden C. Disse Chargaffs regler er ikke tilfeldige – de følger direkte av at A bare passer med T, og G bare med C. Vet du sekvensen på den ene tråden, vet du dermed automatisk sekvensen på den andre.

Hvordan DNA kopierer seg selv

Før en celle deler seg, må hele DNA-et kopieres slik at begge dattercellene får en komplett kopi. Måten dette skjer på, kalles semikonservativ replikasjon – «halvt bevarende». Det betyr at hvert nytt DNA-molekyl består av én gammel, original tråd og én helt ny tråd.

At det faktisk fungerer slik, ble bevist av Matthew Meselson og Franklin Stahl i 1958. De dyrket E. coli-bakterier i et medium med tungt nitrogen ($^{15}N$), slik at alt DNA ble «tungt». Så flyttet de bakteriene over til et medium med lett nitrogen ($^{14}N$) og lot dem dele seg. Etter én deling var alt DNA-et mellomtungt – akkurat som forventet hvis hver ny dobbeltheliks hadde én tung og én lett tråd. Etter to delinger var halvparten mellomtungt og halvparten lett. Dette resultatet passet bare med den semikonservative modellen, og utelukket både den konservative (der hele originalmolekylet bevares) og den dispersive modellen (der gammelt og nytt DNA blandes tilfeldig).

Selve kopieringen foregår i tre trinn. Under initieringen starter replikasjonen ved bestemte sekvenser kalt replikasjonsopphav. E. coli har bare ett (oriC), mens vi eukaryoter har hundrevis til tusenvis. Under elongeringen bygges de nye trådene, alltid i 5'→3'-retning. Til slutt kommer termineringen, der replikasjonen fullføres når to replikasjonsgafler møtes.

Maskineriet bak kopieringen

DNA-replikasjon er et lagarbeid mellom mange enzymer, hver med sin spesielle jobb. Helikase starter det hele ved å åpne dobbeltheliksen, mens SSBP (enkelttråd-bindende proteiner) holder de åpnede trådene fra hverandre, og topoisomerase løser opp spenningen som bygger seg opp foran replikasjonsgaffelen.

En viktig begrensning styrer hele prosessen: DNA kan bare bygges i 5'→3'-retning, fordi DNA-polymerase bare kan legge nye nukleotider til en fri 3'-OH-ende. Dette får en interessant konsekvens. På den ene tråden – den ledende tråden – kan syntesen skje kontinuerlig i samme retning som gaffelen åpner seg, og den trenger bare én RNA-primer. På den andre tråden – den hengende tråden – peker syntese-retningen motsatt vei av gaffelen. Derfor må denne tråden bygges stykkevis, som korte Okazaki-fragmenter, hvert med sin egen primer.

For hvert Okazaki-fragment jobber enzymene i rekkefølge: primase lager først en kort RNA-primer, DNA-polymerase III forlenger den med DNA, DNA-polymerase I fjerner senere RNA-primeren og erstatter den med DNA, og til slutt syr DNA-ligase fragmentene sammen ved å danne en fosfodiesterbinding. Slik blir den hengende tråden langsommere og mer arbeidskrevende å kopiere enn den ledende.

Oppsummering

DNA er bygd opp av nukleotider, som hver består av en fosfatgruppe, sukkeret deoksyribose og en nitrogenbase. De fire basene er A, T, G og C, der A og G er puriner og T og C er pyrimidiner. To antiparallelle tråder vrir seg om hverandre i en dobbeltheliks, holdt sammen av komplementær baseparing: A–T med to hydrogenbindinger og G–C med tre. Dette forklarer Chargaffs regler om at A = T og G = C.

Når DNA kopieres, skjer det semikonservativt – hvert nytt molekyl har én gammel og én ny tråd – noe Meselson og Stahl beviste i 1958. Syntesen går alltid i 5'→3'-retning, så den ledende tråden bygges kontinuerlig mens den hengende tråden bygges stykkevis som Okazaki-fragmenter. Et lag av enzymer gjør jobben: helikase åpner heliksen, primase lager primere, DNA-polymerase bygger de nye trådene, og DNA-ligase syr fragmentene sammen.