Нуклеотидууд, ДНХ ба РНХ (Nucleotides, DNA, and RNA)

Эсийн бүтэцтэй амьд биетийн удамшлын мэдээллийн үндсэн хадгалагч нь ДНХ юм. Харин эсийн бүтэцгүй вирус төрөл зүйлээсээ хамааран ДНХ эсвэл РНХ геномтой байна. Нуклейн хүчилд дезоксирибонуклейн хүчил (ДНХ) ба рибонуклейн хүчил (РНХ) хамаарах бөгөөд эдгээр нь нуклеотид хэмээх нэгжүүд ковалент холбоогоор залгагдаж үүссэн полимер молекул юм. Нуклейн хүчлийн молекул нь бүтэц, зохион байгуулалтаасаа хамааран шугаман эсвэл цагираг хэлбэртэй байж болно. Нуклеотид бүр пентоз сахар, фосфатын үлдэгдэл, азотот суурь гэсэн гурван бүрэлдэхүүнээс тогтоно. Азотот суурийг пурин — аденин, гуанин — болон пиримидин — цитозин, тимин, урацил — гэж ангилна (Зураг 1).

ДНХ болон РНХ-ийн химийн үндсэн ялгаа нь пентоз сахар болон пиримидины суурийн бүрэлдэхүүнд оршино. РНХ-ийн рибозын 2′-байрлалд гидроксил бүлэг (–ОН) агуулагддаг бол ДНХ-ийн дезоксирибозын энэ байрлалд гидроксил бүлгийн оронд устөрөгч байна. Түүнчлэн ДНХ-д тимин, РНХ-д ихэвчлэн урацил агуулагдана. Рибозын 2′-гидроксил бүлэг нь РНХ-ийн фосфодиэфирийн холбоог, ялангуяа шүлтлэг орчинд, гидролизод илүү өртөмтгий болгодог. Харин 2′-гидроксил бүлэггүй байх нь ДНХ-ийн химийн тогтвортой байдлыг нэмэгдүүлж, удамшлын мэдээллийг урт хугацаанд найдвартай хадгалах боломжийг бүрдүүлнэ.

РНХ-ийн зарим хэлбэр харьцангуй богино настай байдаг бол рибосомын РНХ (рРНХ), зөөвөрлөгч РНХ (зРНХ) зэрэг нь тогтвортой бүтэц үүсгэнэ. РНХ-ийн төрөл бүр мэдээлэл дамжуулах, уургийн нийлэгжилтэд оролцох, генийн илэрхийллийг зохицуулах зэрэг үүрэг гүйцэтгэнэ. Түүнчлэн зарим РНХ катализын идэвхтэй байдаг бөгөөд ийм РНХ-ийг рибозим гэнэ.

Эсийн геномын хос гинжит ДНХ-ийн бүтцийн гол онцлог нь хос мушгиа (double helix) юм. Хос мушгиа нь харилцан нөхөх буюу комплементар дараалалтай, 5′→3′ туйлшрал нь эсрэг чиглэсэн буюу антипараллель байрлалтай хоёр полинуклеотидын гинжээс тогтоно (Зураг 2). Гинж бүрийн араг ясыг дезоксирибоз болон фосфатын үлдэгдлүүд 3′,5′-фосфодиэфирийн холбоогоор ээлжлэн холбогдож бүрдүүлнэ. Азотот сууриуд хос мушгианы дотор тал руу чиглэн давхарлаж, харилцан нөхөх зарчмын дагуу аденин тиминтэй хоёр, гуанин цитозинтой гурван устөрөгчийн холбоо үүсгэн хосолно.

Энд суурийн хослол болон хос мушгианы термодинамик тогтвортой байдлыг ялган ойлгох шаардлагатай. Устөрөгчийн холбоонд тулгуурласан харилцан нөхөх зарчим нь аль суурь алинтайгаа хослохыг тодорхойлж, ДНХ-ийг матриц болгон хуулбарлах боломжийг бүрдүүлдэг. Репликаци болон транскрипцийн үнэн зөв байдалд полимераза ферментийн субстрат сонгох чадвар чухал үүрэгтэй. Үүнээс гадна ДНХ-ийн репликацийн үнэн зөв байдлыг полимеразын алдаа шалган засварлах (proofreading) идэвх болон репликацийн дараах ДНХ-ийн засварын тогтолцоо нэмэгдүүлдэг.

Хос мушгианы термодинамик тогтвортой байдалд сууриудын давхарлалт (base stacking), гидрофоб болон бусад молекул хоорондын харилцан үйлчлэл давамгай хувь нэмэр оруулна. Ижил урттай, ижил ионы орчинд GC-ийн агууламж өндөртэй ДНХ-ийн дараалал ерөнхийдөө илүү өндөр температурт салдаг. Гэвч ДНХ-ийн хайлах температур ((T_m)) нь GC-ийн агууламжаас гадна дарааллын урт, сууриудын байрлал, ионы хүч болон үл тохирох суурийн хослол (mismatch) байгаа эсэхээс хамаарна. Эдгээр шинж чанар нь ПГУ-ын праймер зохиох, гибридизацийн нөхцөлийг сонгох, хайлалтын муруйн (melting curve) шинжилгээг тайлбарлах молекул биологийн үндэс болно.

ДНХ болон РНХ-ийн шинэ гинжийн нийлэгжилт 5′→3′ чиглэлд явагдаж, нуклеотид бүр ургаж буй гинжийн чөлөөт 3′-ОН бүлэгт холбогдоно. Ацикловир, зидовудин зэрэг нуклеозидын аналогууд эс дотор идэвхтэй фосфоржсон хэлбэрт шилжиж, вирусын нуклейн хүчлийн нийлэгжилтийн үед гинжид оролцоно. Гэвч эдгээр нэгдлүүд дараагийн фосфодиэфирийн холбоо үүсэхэд шаардлагатай чөлөөт 3′-ОН бүлэггүй тул гинжийн цаашдын уртасгалтыг зогсоох буюу саатуулж, вирусын геномын нийлэгжилтийг дарангуйлдаг.

Эукариот эсийн репликацид ороогүй хромосом бүр нэг урт, шугаман, хос гинжит ДНХ молекул гистон болон гистоны бус уурагтай холбогдож үүсгэсэн хроматинаас тогтоно. ДНХ-ийн репликацийн дараа хромосом хоёр эгч хроматидтай болох бөгөөд хроматид тус бүр нэг хос гинжит ДНХ молекул агуулна. Иймээс метафазын үед нэг хромосом хоёр ДНХ молекултай байдаг боловч хромосомын тоог центромерын тоогоор тодорхойлдог тул түүнийг нэг хромосом гэж тооцно.

Хроматины бүтэц, нягтралын үндсэн нэгж нь гистоны октамерыг тойрон ойролцоогоор 147 хос суурь бүхий ДНХ ороосноор үүсэх нуклеосом юм (Зураг 3). Гистоны сүүл хэсгийн ацетилжилт, метилжилт зэрэг ковалент өөрчлөлт нь хроматины хүртээмж болон зохицуулагч уургуудын холбогдолтыг өөрчлөх замаар генийн илэрхийлэлд нөлөөлнө. Энэ нь эпигенетик зохицуулгын чухал механизмын нэг бөгөөд уг зохицуулгыг хэрэгжүүлэгч гистон-деацетилаза (HDAC) зэрэг фермент зарим эмийн бай болдог.

Завсрын үе буюу интерфазад удамшлын материал хроматин хэлбэрээр оршино. Хроматиныг харьцангуй сийрэг, транскрипцийн идэвхтэй байх хандлагатай эухроматин болон илүү нягт, транскрипцийн идэвх багатай буюу идэвхгүй гетерохроматин гэж ангилдаг. Митозын метафазын үед хромосомын нягтрал дээд түвшинд хүрдэг тул кариотипийн шинжилгээг ихэвчлэн энэ үе шатанд зогсоосон эсэд гүйцэтгэнэ. Зохих боловсруулалт болон G-зурвасжуулалтын дараа хромосом тус бүрийг хэмжээ, центромерын байрлал, зурвасжуулалтын өвөрмөц хэв шинжээр нь гэрлийн микроскопоор ялган таних боломжтой.

Хүний гаплоид цөмийн геном ойролцоогоор (3.1 \times 10^9) хос суурь агуулж, 23 хромосомд зохион байгуулагдана. Биеийн ихэнх бөөмт эс диплоид бүрдэлтэй тул 22 хос аутосом болон нэг хос бэлгийн хромосом буюу нийт 46 хромосомтой. Гомолог аутосомын хос бүрийн нэг нь эхээс, нөгөө нь эцгээс удамшина. Гомолог хромосомууд ижил локусуудад (locus — генийн байрлал) ижил генүүдийг агуулах боловч тухайн генийн хувилбар буюу аллель (allele) нь ижил эсвэл ялгаатай байж болно. Хоёр аллель ижил бол гомозигот, ялгаатай бол гетерозигот генотип гэнэ. Харин давамгай буюу доминант болон хомсдмол буюу рецессив чанар нь аллелиуд гетерозигот төлөвт фенотипээр хэрхэн илэрч байгааг тодорхойлно.

46,XY хромосомын бүрдэлд X ба Y хромосом зөвхөн псевдоаутосомын PAR1 болон PAR2 мужуудаар хосолно. Иймд тэдгээр нь уртынхаа ихэнх хэсэгт гомолог биш юм. X хромосомын псевдоаутосомын бус мужид байрлах генүүд 46,XY бүрдэлтэй хүнд нэг хуулбартай буюу гемизигот төлөвтэй байна. Энэ гемизигот байдал нь X хромосомтой холбоотой эмгэгүүд эрэгтэйчүүдэд өвөрмөц удамшлын болон эмнэлзүйн хэв шинжээр илрэх молекулын үндэс болдог.

Митохондри бүхий хүний эсүүд цөмийн геномоос гадна ойролцоогоор 16.6 кб урттай, цагираг, хос гинжит митохондрийн ДНХ-ийг (мтДНХ) олон хуулбараар агуулдаг. Хүний мтДНХ эмнэлзүйн генетикт бараг үргэлж эхийн шугамаар удамшина. Нэг эсэд мтДНХ-ийн хэвийн болон эмгэг үүсгэгч хувилбарууд зэрэгцэн оршихыг гетероплазми гэнэ. Эхийн шугамын удамшил, гетероплазми, репликатив сегрегаци (replicative segregation) болон босго нөлөө (threshold effect) нь митохондрийн эмгэгийн илрэл, эрсдэлийн үнэлгээ, удам зүйн зөвлөгөөний зарчмыг цөмийн генийн эмгэгээс ялгадаг.

Хромосомын тоо, бүтцийн өөрчлөлт болон нуклеотидын дарааллын эмгэг үүсгэгч хувилбарууд нь удамшлын эмгэг, төрөлхийн хөгжлийн гажиг, түүнчлэн соматик мутациас үүдэлтэй олдмол эмгэг, тухайлбал хавдрын шалтгаан болж болно. Эдгээр өөрчлөлтийг илрүүлэх аргууд нь хамрах хүрээ, ялган илрүүлэх чадвар (resolution) болон тодорхойлж чадах генетикийн хувилбарын төрлөөрөө ялгаатай. Сонгодог цитогенетикийн кариотипийн шинжилгээ хромосомын тооны болон томоохон бүтцийн өөрчлөлтийг илрүүлнэ. Флюоресцент in situгибридизаци (FISH) нь сонгосон локусын тоо, байрлал болон бүтцийн тодорхой өөрчлөлтийг флюоресцент тэмдэглэгээтэй, дараалал-өвөрмөц ДНХ-ийн зонд ашиглан шинжилдэг. Хромосомын микроматрицын шинжилгээ (CMA) нь геномын хэмжээнд хуулбарын тооны субмикроскоп өөрчлөлтийг (CNV) илрүүлэх боловч тэнцвэржсэн транслокаци, инверси зэрэг хуулбарын тоог өөрчилдөггүй бүтцийн өөрчлөлтийг ерөнхийдөө тодорхойлохгүй.

Дараагийн үеийн дараалал тогтоох технологид (NGS) суурилсан аргууд нь ганц нуклеотидын хувилбар (SNV), жижиг инсерци, делеци болон шинжилгээний аргачлал, хамрах хүрээ, уншилтын гүн, биоинформатик боловсруулалтаас хамааран зарим хуулбарын тооны болон бүтцийн өөрчлөлтийг тодорхойлох боломжтой. Геномын бүх төрлийн өөрчлөлтийг дангаар тодорхойлох нэгдмэл арга байхгүй тул оношилгооны аргыг сэжиглэж буй өөрчлөлтийн төрөл, эмнэлзүйн илрэл, гэр бүлийн өгүүлэмж болон шинжилгээний зорилгод үндэслэн сонгоно.

• Бүтэц: Нуклеотид нь ДНХ болон РНХ-ийн үндсэн бүтцийн нэгж бөгөөд дараах 3 хэсгээс тогтдог:
  • Азотот сууриуд (пурин буюу пиримидин): Азотот суурь нь генетик мэдээлэл хадгалах гол нэгж юм.
    • Пурин: аденин (A), гуанин (G)
    • Пиримидин: цитозин (C), тимин (T) , урацил (U) 
  • Пентоз сахар (рибоз буюу дезоксирибоз)
    • ДНХ: 2’-дезоксирибоз 
      • Рибоз ба дезоксирибоз хоёулаа пентоз сахар бөгөөд 5 нүүрстөрөгчтэй. Дезоксирибоз нь рибозоос 2′-байрлалын гидроксил –OH бүлэг устөрөгч –H-өөр солигдсон байдгаараа ялгаатай. Энэ жижиг ялгаа нь ДНХ-г химийн хувьд илүү тогтвортой болгодог. ДНХ-ийн урт хугацааны мэдээлэл хадгалах үүрэгт чухал нөлөө үзүүлдэг.
    • РНХ: рибоз 
      • Пентоз сахар бөгөөд РНХ-д агуулагддаг. 2′-OH бүлэгтэй тул гидролизод өртөмтгий.
  • Фосфат бүлэг: нэг ба түүнээс олон PO₄³⁻

• Холбоо 
  • Нуклеозид: Азотлог суурь: пурин эсвэл пиримидин + пентоз сахар
    • Энэ хоёр N-гликозидын холбоо (N-glycosidic bond)-гоор холбогддог.
    • Холбоо нь пурин дээр N⁹, пиримидин дээр N¹ атом ба сахарын 1′-нүүрстөрөгчийн хооронд үүснэ.
  • Нуклеотид: Нуклеотид нь нуклеозид  дээр нэг буюу хэд хэдэн фосфат бүлэг холбогдсоноор үүснэ.
    • Фосфат бүлэг нь ихэвчлэн сахарын 5′-нүүрстөрөгч дээр фосфоэфирийн холбоо -гоор холбогддог.

• • • Харин полинуклеотидын гинж үүсэх үед, нуклеотидууд хоорондоо 3′-5′ фосфодиэфирийн холбоо -гоор холбогддог.
      • Энэ холбоо нь нэг нуклеотидын 5′-фосфат бүлэг ба дараагийн нуклеотидын 3′-OH бүлгийн хооронд үүсдэг бөгөөд ингэснээр ДНХ, РНХ-ийн гинж бүрэлддэг. 

Азотлог сууриуд 

• Цитозин (C) – Гуанин (G) хослол: Цитозин нь 3 ширхэг устөрөгчийн холбоо үүсгэгч (донор) агуулна. Гуанин нь 3 ширхэг устөрөгчийн холбоо хүлээн авагч (акцептор) агуулна. 
  • CG хослол нь 3 H-бондтой тул илүү тогтвортой. Харин AT хослол нь 2 H-бондтой.
  • Иймд ДНХ-ийн CG хослолын тоо их байх тусам хайлах температур (Tm) өндөр байдаг.
• Урацилээс гадна нуклейн хүчлийн анхдагч гинж үүссэний дараа бий болдог олон өөр суурь байдаг. Жишээлбэл:
  • Гипоксантин  
    • РНХ-г засварлах үед аденинаас амингүйжүүлэх урвалаар үүснэ.
    • тРНХ-д инозин хэлбэрээр агуулагддаг бөгөөд кодоны гурав дахь суурийн wobble pairing-ыг зөв уншуулахад чухал үүрэгтэй.
  • Ксантин 
    • Пурины солилцооны завсрын бүтээгдэхүүн
    • Гуаниний амингүйжих урвалаар үүсдэг 
  • Пурины нийлэгжилтэнд шаардлагатай амин хүчлүүд 
    • • Глицин 
      • Аспартат 
      • Глутамин 
      • Пурин, пиримидин хэсгээс дэлгэрүүлэн уншина уу.

Нуклеотидууд болон тэдгээрийн уламжлалын биед гүйцэтгэх үүрэг

• Нуклейн хүчлийн бүтэц бүрэлдэхүүн болохын зэрэгцээ нуклеотидууд дараах олон талт үүргийг гүйцэтгэдэг:
• Нуклейн хүчлийн бүтцийн нэгжүүд (Building blocks):
  
  • ДНХ ба РНХ-ийн үндсэн бүтцийн нэгжийг бүрдүүлдэг .
• Энергийн эх үүсвэр (Energy source):
  
  • Нуклеотидууд ялангуяа аденозин трифосфат (АТФ) хэлбэрээр эсийн энергийн хамгийн түгээмэл зөөвөрлөгч болдог. Мөн гуанозин трифосфат (ГТФ) ч энерги нийлүүлэгч үүрэгтэй.
• Дохио молекулууд (Signaling molecules): Нуклеотидын циклик хэлбэрүүд болох
  
  • цАМФ (циклик аденозин монофосфат)
  • цГМФ (циклик гуанозин монофосфат) нь фосфорын эфирийн нэгдлүүд бөгөөд эсийн дотоод дохиоллын зам (second messenger)–д оролцоно .
• Бүлэг шилжүүлэгч урвалд оролцогч (Activators in group transfer reactions): Өндөр энерги бүхий холбоо үүсгэх чадварын ачаар нуклеотидууд молекулыг өөр нэгэн нэгдэлд холбож өгдөг. Үүний жишээ:
  •  UDP-глюкоз: гликоген үүсэхэд идэвхтэй хэлбэрийн глюкоз болгон ашиглагддаг
  • Цитиколин: хүнсний холиныг CTP-ийн оролцоотой идэвхжүүлснээр фосфатидилхолин нийлэгжилд оролцоно
  • 3′-Фосфоаденозин-5′-фосфосульфат (PAPS): сульфолипидийн нийлэгжилд сульфат бүлгийн донороор оролцоно
  • S-аденозилметионин (SAM): метиониноос үүсэх ба метилжүүлэх урвалын кофактор болдог
• Энзимийн үйл ажиллагааны зохицуулга (Enzymatic regulation):
  • GTP нь G уураг (G-protein) -ийн идэвхжлийг дэмжих замаар дохио дамжуулах замын энзимүүдийн үйл ажиллагааг зохицуулдаг.
• Тээвэрлэгч молекулууд (Carrier molecules):
  • Никотинамид аденин динуклеотид (NAD⁺)
  • Флавин аденин динуклеотид (FAD) зэрэг нуклеотидын уламжлалууд нь исэлдэн-ангижрах урвалд оролцдог кофакторууд бөгөөд электроны тээвэрлэлтийг гүйцэтгэнэ.