Arvsmassans struktur och funktion

Hoppa till: navigering, sök

Till innehÄllsförteckningen för Referensmetodik:MolekylÀrbiologisk diagnostik



Arvsmassans struktur och funktion

Alla levande celler och viruspartiklar innehÄller arvsmassa, genetisk information, i form av nukleinsyran DNA, deoxyribonucleic acid (flercelliga organismer och encelliga mikroorganismer samt virus) eller RNA, ribonucleic acid (en del virus). I eukaryota celler (hos djur, parasiter, vÀxter och svampar) Àr DNA organiserat i linjÀra kromosomer i en cellkÀrna. Arvsmassan Àr skyddad av olika typer av interna strukturer och membran och en cellvÀgg av cellulosa/lignin hos vÀxter eller av kitin hos svampar. Djurceller saknar cellvÀgg. En del arvsmassa finns ocksÄ organiserad i organellerna, mitokondrier och kloroplaster (vÀxtcell), se figur 1.

Figur 1. Eukaryot cell, djurcell. Organeller: (1) nukleol, (2) cellkÀrna, (3) ribosom, (4) vesikel, (5) grovt endoplasmatiskt retikulum (ER), (6) golgiapparaten, (7) cytoskelett, (8) slÀtt ER, (9) mitokondrie, (10) vakuol, (11) cytoplasma, (12) lysosom och (13) centriol. Bild; Wikimedia commons, GNU Free Documentation License


Hos prokaryota organismer (bakterier) som saknar cellkÀrna Äterfinns DNA i en oregelbunden form, nukleoid, i cytoplasman i cellen. Bakteriers genom bestÄr vanligen av en cirkulÀr kromosom och eventuellt ocksÄ extrakromosomalt genetiskt material, i form av plasmider, medan virus har cirkulÀra eller linjÀra genom. Bakteriecellerna Àr oftast omslutna av en cellvÀgg bestÄende av peptidoglykan med teikonsyra i flera lager (grampositiva bakterier), peptidoglykan i fÄ lager med LPS och lipoproteiner (gramnegativa bakterier), S-lager av protein, kapsel eller slemlager, se figur 2. Vissa bakterier saknar helt cellvÀgg (t ex. genus Mycoplasma) eller kan bilda endosporer för att vara vilande under mycket lÄng tid (t ex. Bacillus anthracis som orsakar mjÀltbrand och Clostridium tetani som orsakar stelkramp).

Viruspartiklar omsluts av ett ytterhölje av protein kallat kapsid, ibland Àven ett hölje av lipider frÄn vÀrdcellens membran.

Arvsmassan innehÄller all information som behövs i cellerna för att tillverka de komponenter som krÀvs för cellernas funktion, dvs olika typer av RNA och proteiner. Gener Àr de delar av en DNA-molekyl som innehÄller genetisk information, medan andra delar av molekylen har mer strukturella ÀndamÄl eller Àr involverade i regleringen av generna.


Figur 2. Schematisk bild av bakterie (vÀnster) och viruspartikel (höger). Bild; Wikimedia commons, GNU Free Documentation License



DNA-molekylen Ă€r uppbyggd av socker (deoxyribos), fosfatmolekyler och repeterade enheter kallade kvĂ€vebaser, baser eller nukleotider. PĂ„ varje socker i ”ryggraden”, riktade mot mitten av den dubbelstrĂ€ngade molekylen, sitter en av de fyra baserna Adenin, Tymin, Guanin, Cytosin (A, T, G eller C), bundna, se figur 3. Baserna hĂ„lls ihop med vĂ€tebindningar och A binder till T med tvĂ„ vĂ€tebindningar och G till C med tre vĂ€tebindningar. Baserna Ă€r komplementĂ€ra vilket innebĂ€r att all information i den ena strĂ€ngen finns kopierad i den andra. Molekylen Ă€r en tvinnad dubbelhelix i form av en högervriden spiral, och koden i de bĂ„da strĂ€ngarna lĂ€ses Ă„t motsatt hĂ„ll, dvs molekylen Ă€r "antiparallell". DNA-molekylen har asymmetriska Ă€ndar kallade 5’ och 3’, som Ă€ven anvĂ€nds för att markera riktningen pĂ„ de bĂ„da strĂ€ngarna. De bĂ„da strĂ€ngarna i DNA-molekylen kan separeras genom att vĂ€tebindningarna mellan baserna bryts, med exempelvis vĂ€rme. MĂ€ngden av kvĂ€vebaserna G/C i förhĂ„llande till A/T i DNA avgör hur hĂ„rt de bĂ„da strĂ€ngarna sitter ihop. Den temperatur som behövs för att dela strĂ€ngarna Ă„t (dvs bryta vĂ€tebindningarna) kallas smĂ€lttemperatur (Tm, melting temperature). Fosfatgrupperna sitter pĂ„ utsidan av molekylen och vilket medför att DNA Ă€r vattenlösligt. En av skillnaderna mellan RNA och DNA Ă€r att sockret deoxyribos bygger upp ryggraden i DNA medan RNA Ă€r uppbyggt av sockret ribos. RNA Ă€r enkelstrĂ€ngat i cellerna medan DNA Ă€r dubbelstrĂ€ngat. Biologiskt aktiva RNA-molekyler som transfer-RNA (tRNA) och ribosomalt RNA (rRNA) basparas till en dubbelhelix i cellerna dĂ€r den tredimensionella strukturen Ă€r mycket viktig för dess funktion. En annan skillnad mellan RNA och DNA Ă€r att basen Uracil (U) ersĂ€tter basen T i RNA-molekylen.

Figur 3. DNA-dubbelhelix. Bild; Wikimedia commons, GNU Free Documentation License

Den levande organismens hela genom (totala genuppsÀttning) finns samlad i arvsmassan i varje cell. Ordningsföljden, sekvensen, av de fyra baserna i molekylen bildar den genetiska koden som innehÄller informationen i cellerna. Denna kod Àr universell, vilket innebÀr att alla organismer inkluderande virus har en genetisk kod som Àr uppbyggd pÄ principiellt samma sÀtt. Denna kod anvÀnds för att bestÀmma den sekvens av aminosyror som bygger upp enzymer och övriga proteiner i cellerna.

De tvÄ centrala processerna i cellen dÄ DNA lÀses av för att översÀttas till en aminosyrasekvens kallas transkription och translation. Vid transkriptionen kopieras DNA-sekvensen av enzymet RNA-polymeras till en RNA-kopia, messenger-RNA (mRNA), som sedan med hjÀlp av tRNA översÀtts till en aminosyrasekvens i ribosomen vid den sÄ kallade translationen. Ribosomen Àr uppbyggd av RNA, rRNA, och generna som kodar för detta ribosomala RNA Àr vÀl konserverade hos olika arter och kan dÀrför anvÀndas för att bestÀmma slÀktskapsförhÄllanden mellan organismer.

Varje aminosyra kodas av en triplett av baser (kodon). Den ena av strÀngarna i DNA-molekylen svarar för mRNA och översÀttning till protein. Denna strÀng kallas sense medan den andra strÀngen som inte översÀtts betecknas antisense. BÄda strÀngarna kan innehÄlla sense-och antisensesekvenser. FrÀmst i virus och plasmider utnyttjas överlappande gener som lÀses över varandra Ät var sitt hÄll. Bakterier utnyttjar detta för regleringen av gener medan virus utnyttjar det för att fÄ plats med sÄ mycket information som möjligt samtidigt som hela arvsmassan, genomets, storlek minimeras.

Vid celldelning kopieras hela genomet. Flera enzymer hjĂ€lps Ă„t att vinda upp DNA-molekylen sĂ„ att DNA-polymeras kommer Ă„t att lĂ€sa den ena strĂ€ngen i riktning 5’-3’ och sedan inkorporera komplementĂ€ra baser i den nytillverkade strĂ€ngen. MĂ„lsekvensen som kopieras kallas för templat. Den nya strĂ€ngen basparar till den gamla och ger en dubbelhelix som har en ny och en gammal strĂ€ng (semikonservativ replikation), se figur 4.


Figur 4. Semikonservativ replikation av DNA, som innebÀr att en modermolekyl bildar 2 dottermolekyler som var och en bestÄr av en gammal och en ny DNA-strÀng. Bild; Wikimedia commons, GNU Free Documentation.

Uppbyggnaden av nukleinsyra hos mikroorganismer varierar. Svampar och parasiter har dubbelstrÀngat DNA ordnat i flera linjÀra kromosomer. Bakterier har dubbelstrÀngat DNA ordnat i en cirkulÀr kromosom. Virus presenterar flera olika varianter inklusive dubbelstrÀngat DNA (dsDNA hos exempelvis Herpesvirus), enkelstrÀngat DNA (ssDNA hos exempelvis Parvovirus B19), dubbelstrÀngat RNA (dsRNA) och enkelstrÀngat RNA (ssRNA hos exempelvis luftvÀgsvirus, gastroenteritvirus och retrovirus).

PÄ mikrobiologiska laboratorier anvÀnds allt oftare specifika och kÀnsliga metoder för pÄvisning av mikrobiell nukleinsyra i kliniska prover för att detektera mikroorganismer, toxingener eller resistensgener. Tekniker att studera arvsmassan kan ocksÄ anvÀndas för epidemiologisk typning i exempelvis utbrottsutredningar. Nya metoder för kopiering och detektion av mÄlsekvenser i arvsmassan utvecklas hela tiden. Begreppet NAAT, Nucleic Acid Amplification Techniques, anvÀnds ofta i litteraturen och syftar pÄ metoder dÀr nukleinsyra anvÀnds som templat, mÄl-DNA, för mÄngfaldigande av mÄlsekvens (mÄlamplifiering) eller signal (signalamplifiering). Metoderna efterliknar den naturliga kopieringen av arvsmassan som sker vid celldelning. De vanligaste metoderna baserade pÄ mÄlamplifiering, Àr Polymerase Chain Reaction (PCR), Ligase Chain Reaction (LCR), Strand Displacement Amplification (SDA), Nucleic Acid Sequence Based Amplification (NASBA) och Transcription Mediated Amplification (TMA). Signalamplifiering baseras pÄ att indirekta markörer, oftast fluorescerande prober, amplifieras och ger en ökande signal. Till denna kategori hör bland annat branched DNA technologies (bDNA) och Invader assays. Flera av de molekylÀrbiologiska metoder som anvÀnds för mikrobiologisk diagnostik och epidemiologisk typning presenteras i denna bok.

REFERENSER

  • 1. Molecular microbiology: diagnostic principles and practice. Editors David H Persing et al. ASM Press, Washington DC, 2004.