حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين

تنقسم قواعد الدنا النووية الأساسية إلى قسمين: البيورينات ويندرج ضمنها الأدنين والغوانين وهما جزيئان ثنائيا الحلقة يحويان حلقتين متغايرتين مندمجتين إحدهما سداسية والأخرى خماسية، والبريميدينات ويندرج ضمنها السايتوسين والثايمين وهما جزيئان أحاديا الحلقة عبارة عن حلقة سداسية متغايرة.[11] تتشكل الأزواج القاعدية للولب المزدوج للدنا بترابط بيورين في إحدى السلسلتين مع بيريميدين في السلسلة الأخرى بواسطة اثنتين أو ثلاثة من الروابط الهيدروجينية:

• يرتبط الأدينين مع الثايمين بواسطة رابطتي هيدروجين ليشكل الرابطة A=T.
• يرتبط الغوانين مع السايتوسين بواسطة ثلاث روابط هيدروجينية ليشكل الرابطة G≡C.

• 
  أدينين (A)
• 
  ثايمين (T)
• 
  الزوج قاعدي A=T

• 
  غوانين (G)
• 
  سايتوسين (C)
• 
  الزوج قاعدي G≡C

يسمى هذا الترابط لقاعدتين نوويتين من سلسلتي اللولب المزدوج بترابطة واتسون-كريك، يوجد نوع آخر من الترابط يسمى ترابط هوغستين يتم فيه ترابط قاعدتي الغوانين والسايتوسين بواسطة رابطتي هيدروجين.[17] كون الروابط الهيدروجينية غير تساهمية يسمح بكسرها وإعادة ربطها بسهولة معتبرة ومنه يمكن فصل سلسلتي اللولب المزدوج للدنا كالسحَّاب سواء بقوة ميكانيكية أو بدرجة حرارة مرتفعة.[18] ونتيجة لهذا التكامل في ترابط القواعد فإن جميع المعلومات التي تحويها إحدى سلسلتي اللولب المزدوج منسوخة في السلسلة الأخرى وهو أمر أساسي في عملية تضاعف الدنا ومختلف وظائفه الأخرى لدى الكائنات الحية.[6]

لا يوجد اليوراسيل عادة في الدنا، ولا يظهر سوى كنتيجة تفكك للسايتوسين، لكن في العديد من عاثيات البكتيريا مثل عاثيتي العصويات الرقيقة PBS1 وPBS2 وعاثية اليرسينية piR1-37 تم استبدال الثايمين باليوراسيل،[19] كما تم تحديد عاثية أخرى - عاثية العنقودية S6 بجينوم استُبدِل فيه الثايمين باليوراسيل كذلك.[20]

5-هيدروكسي ميثيل يوريدين منقوص الأكسجين (^هم5ي.م) (hm5dU) معروف كذلك بأنه يأخذ مكان الثيميدين في عدة جينومات بما في ذلك عاثيات العصويات: 2C، H1، SP8، ϕe، SPO1 وSP82. كما تم تحديد معدَّل يوراسيل آخر هو: 5-ثنائي هيدروكسي بينتا يوراسيل.[21]

القـاعـدة ج.

القاعدة ج (D-β-غليكو بيرانوزيل أوكسي ميثيل يوراسيل) هو معدَّل من اليوراسيل يوجد كذلك لدى عدة كائنات: السوطية الديبلونيما واليوغلينا ولدى كل أجناس المحراكات،[22] الاصطناع الحيوي للقاعدة ج يظهر على مرحلتين: الأولى يحول فيها ثيميدين محدد في الدنا إلى 5-هيدروكسي ميثيل يوريدين منقوص الأكسجين وفي الثانية تتم غلكزة الـ(hm5dU) لتشكيل القاعدة ج،[23] وتم تحديد البروتينات التي ترتبط خصيصا بهذه القاعدة،[24][25][26] حيث تظهر لهذه البروتينات علاقة بعيدة بالجين الورمي Tet1 والذي له علاقة بنشوء مرض اللوكيميا النخاعية الحادة،[27] كما يظهر أن القاعدة ج تعمل كإشارة انتهاء لبوليميراز الرنا II.[28][29]

وجد سنة 1976 أن كل قواعد أدينين العاثية S-2L التي تصيب جنس بكتيريا السینكوسیستیس استبدلت بـ 2،6-ثنائي أمين بيورين،[30] ووُجد في 2016 أن الأرشايوزين[31] منقوص الأكسجين يتواجد في جينومات عدة بكتيريا وكذلك عاثية الإشريكية 9g.[32]

تظهر القواعد المعدلة في الدنا كذلك، وأول قاعدة تم التعرف عليها هي 5-ميثيل سايتوسين والتي عثر عليها في جينوم متفطرة سلية سنة 1925،[33] وتمت ملاحظة الاستبدال الكامل للسايتوسين بـ 5-غليكوزيل هيدروكسي ميثيل سايتوسين في عاثيات T المزدوجة ( T4 ،T2 وT6) سنة 1953،[34] وفي جينومات عاثية المستصفرة الرزية Xp12 وفيروس الهالو (FH) تم الاستبدال الكامل للسايتوسين بـ5-ميثيل سايتوسين.[35][36] اكتُشف أن 6N-ميثيل أدينين موجود في الدنا سنة 1955 [37] و6N-كربامويل ميثيل أدينين حُدِّد سنة 1975 [38] و6-O-ميثيل غوانين سنة 1976 [39] و4N-ميثيل سايتوسين سنة 1983،[40] وفي سنة 1985 عثر على 5-هيدروكسي سايتوسين في جينومات عاثيتي المستجذرة RL38JI وN17.[41] يظهر α-بوتريسكينل ثايمين في جينومي كل من عاثية بكتيريا الديلفتيا ΦW-14 وعاثية العصوية SP10.[42] كما وُجِـد α-غلوتاميل ثايميدين في عاثية العصوية SP01 و5- ثنائي هيدروكسي بينتيل يوراسيل في عاثية الطرفية SP15.

سبب تواجد هذه القواعد غير الأساسية أو المعدلة في الدنا غير معروف، ويبدو على الأرجح أن جزءا من السبب على الأقل في وجودها لدى الفيروسات البكتيرية (العاثيات) هو تجنب إنزيمات الاقتطاع الموجودة في البكتيريا، حيث يعمل نظام الإنزيم هذا على الأقل جزئيا كنظام مناعة جزيئي يحمي البكتيريا من الإصابة بالفيروسات.

لا يبدو بأن هذه هي نهاية الحكاية، حيث تم اكتشاف أربع تعديلات على جزيئات السايتوسين في دنا الإنسان.[43] هذه التعديلات هي إضافة مجموعات الميثيل (CH₃)-، الهيدروكسي ميثيل (CH₂OH)-، الفورميل (CHO) والكاربوكسيل (COOH)، حيث يُعتقد أن لهذه التعديلات وظائف تنظيمية في الدنا.

توجد 17 قاعدة غير معيارية معروفة في الدنا، ومعظمها تعديلات للقواعد الأساسية فضلا عن اليوراسيل وهي:

الثلمان الكبير والصغير، الصغير هو مكان ارتباط هوكست التلوين، صبغ 33258.

يشكل زوج سلاسل لولبية العمود الفقري للدنا، يمكن إيجاد لولب مزدوج آخر بتتبع الفراغات -أو الأثلام- بين السلسلتين، هذه الفراغات مجاورة لأزواج القواعد ويمكن أن توفر مواقع ارتباط للبروتينات، ولأن السلسلتين غير متموضعتين بانتظام بالنسبة لبعضهما البعض نجد أن الثلمين لهما طولان غير متماثلان، الثلم الكبير عرضه 22 أنغستروم والصغير حوالي 12 أنغستروم.[44] عرض الثلم الكبير يعني أن حواف القواعد فيه أكثر قابلية للوصول إليها من حواف الثلم الصغير وكنتيجة لذلك، البروتينات التي يمكنها الارتباط بتسلسلات معينة في اللولب المزدوج -مثل عوامل النسخ- عادة ما تتصل بجوانب القواعد المكشوفة في الثلم الكبير.[45]

هذه الوضعية تختلف لدى بنيات وهياكل دنا أخرى مختلفة داخل الخلية (انظر أشكال الدنا) لكن الثلمين الكبير والصغير يُذكرَان دائمًا لتوضيح الفروق في الحجم التي يمكن رؤيتها إن تمت إعادة لولب الدنا إلى بنيته ب الطبيعية.

توضيح لسلسلة الاتجاه وضد الاتجاه للدنا، نسخة الرنـا بالأخضر.

لإنتاج رنـا وظيفي لا يتم سوى نسخ جزء معين من إحدى سلسلتي الدنا التي تحتوي على الجين وذلك لأن السلسلتين ليستا متماثلتين، ويقال لتسلسل الدنا بأنه "اتجاه" إذا كان مماثلا للتسلسل على نسخة الرنا الرسول التي تُرجمت إلى بروتين [46] ويكون ذلك في السلسلة التي لم يتم نسخها (انظر الشكل)، أما تسلسل السلسلة القالب (التي تم نسخها) فيسمى "ضد الاتجاه" وذلك لأنه مكمل لتسلسل الرنا الرسول. تسمى أحيانا السلسلة التي يتم نسخها "سلسلة التشفير" والمقابلة لها "سلسلة اللاتشفير" إلا أن هذه الدلالة صالحة فقط بالنسبة لجين معين وذلك لأن سلسلتي نفس اللولب المزدوج من الدنا يمكن أن تشفرا بروتينات مختلفة. يمكن أن يتواجد كلا التسلسُلَين "الاتجاه" و"ضد الاتجاه" على أجزاء مختلفة من نفس سلسلة الدنا (أي يمكن لكلا السلسلتين أن تحويا كلا من الاتجاه وضد الاتجاه).

يتم إنتاج تسلسلات رنـا ضد الاتجاه في كل من حقيقيات وبدائيات النوى، إلا أن وظائفها غير واضحة بالكامل،[47] ويشير أحد الاقتراحات إلى أن سلاسل الرنا ضد الاتجاه تساهم في تنظيم التعبير الجيني عبر ترابط قواعد رنا-رنا.[48]

بعض تسلسلات الدنا في بدائيات وحقيقيات النوى وبنسبة أكثر في البلازميدات والفيروسات يتعسر فيها التمييز بين سلسلتي الاتجاه وضد الاتجاه لوجود جينات متداخلة.[49] في هذه الحالات تقوم تسلسلات الدنا بوظيفة مضاعفة، تشفير بروتين معين حين تتم قراءتها على طول إحدى السلسلتين، وبروتين آخر حين تقرأ في الاتجاه المعاكس على طول السلسلة الأخرى. في البكتيريا قد يساهم هذا التداخل في تنظيم نسخ الجينات [50]، أما لدى الفيروسات فيزيد في مقدار المعلومة التي يمكن تشفيرها داخل جينوم فيروسي صغير.[51]

يكون الدنا خلال معظم عمر الخلية ملفوفا بخفة حول الهستونات ولا يكون مركزا على هيئة صبغي، ولا يظهر اللف الفائق للدنا على شكل صبغيات إلا خلال مرحلة انقسام الخلية.[52] يمكن لف الدنا مثل الحبل خلال عملية تسمى لف الدنا الفائق، وفي حالة الراحة تلتف سلسلة الدنا حول محور اللولب المزدوج مرة كل 10.4 زوج قاعدي، أما إن كان الدنا ملفوفا فإن سلسلتيه تصبحان أشد أو أخف التفافا.[53] حيث إن كان ملفوفا في اتجاه اللولب المزدوج فإن القواعد تصبح متراصة أكثر ويسمى ذلك الالتفاف الفائق الموجب؛ أما إن كان ملفوفا عكس اتجاه اللولب المزدوج فإن القواعد تصبح أقل تراصا ويسمى ذلك بالالتفاف الفائق السالب. لِمعظمِ الدنا في الطبيعة التفافٌ فائق سلبي تُحدِثه إنزيمات التوبوإيزوميراز،[54] هذه الإنزيمات مطلوبة لتزيل التفاف سلسلتي الدنا أثناء عمليتي نسخ وتضاعف الدنا.[55]

كما ذكر بالأعلى، معظم جزيئات الدنا عبارة عن سلسلتي بوليمير مرتبطة مع بعض على شكلٍ لولبيٍّ بواسطة روابط غير تساهمية، هذه البنية مزدوجة السلاسل تستقر بشكل كبير بواسطة تفاعلات القواعد المحزمة مع بعضها في سلسلة واحدة، وهي قوية في تسلسلات G،C. يمكن للسلسلتين أن تنفصلا - في عملية تسمى بالذوبان - لتشكيل جُزَيئَي سلسلتين منفردتين وهو ما يسمى إفساد الدنا. يحدث الذوبان عند درجة حرارة عالية، كميات أملاح منخفضة وأس هيدروجيني مرتفع (الأس الهيدروجيني المنخفض يذيب الدنا، لكن بما أن الدنا غير مستقر بسبب نزع البيورين الحمضي؛ نادرا ما يستخدم الأس الهيدروجيني المنخفض).

لا يعتمد استقرار بنية اللولب المزدوج على محتوى GC فقط (لأن أزواج القواعد CG تحتوي على ثلاث روابط هيدروجينية بينها، والأزوج AT رابطتين) ولكن على التسلسل كذلك (لأن التحزيم له علاقة بالتسلسل) وطوله (كلما كان الجزيء أطول، استقر أكثر). يمكن قياس الاستقرار بطرق عديدة، أشهرها هي "درجة حرارة الذوبان" وهي درجة حرارة تتحول فيها 50% من الجزيئات مزدوجة السلاسل إلى جزيئات منفردة السلاسل، وتعتمد درجة حرارة الذوبان على قوة الأيونات وتركيز الدنا. وكنتيجة يساهم كل من نسبة أزواج القواعد GC وطول اللولب المزدوج للدنا في تحديد قوة ترابط سلسلتي الدنا. لوالب الدنا الطويلة التي لديها محتوى CG كبير تترابط سلاسلها بشكل قوي، في حين أن اللوالب القصيرة التي لديها محتوى AT كبير تمتاز سلاسلها بترابط ضعيف.[56] في علم الأحياء أجزاء لولب الدنا التي يمكن فصلها بسهولة مثل صندوق بربنو ذي التسلسل TATAAT في بعض المحفزات، تميل أن يكون لديها محتوى AT كبير وهو ما يجعل انفصال سلاسلها أكثر سهولة.[57]

يمكن قياس قوة التفاعلات في المختبر بإيجاد درجة الحرارة الضرورية لكسر الروابط الهيدروجينية (التي تسمى كذلك قيمة Tm) والتي يمكن قياسها بتتبع الامتصاص الضوئي لأطوال الموجات 260 نانومتر في محلول يحتوي على الدنا، حيث يزداد هذا الامتصاص عند تفكك أزواج القواعد وهو ما يسمى فرط الكرومية. حين تذوب كل الروابط بين أزواج القواعد في لولب دنا مزدوج، تنفصل السلسلتان وتبقيان في المحلول كجزيئين مستقلين عن بعضهما تماما، جزيئات الدنا منفردة السلاسل هذه لا تكون لها بنية مألوفة، لكن بعض البنيات التي تتخذها أكثر استقرار من الأخرى.[58]

نمطي حيود الأشعة السينية للدنا أ والدنا ب.

يتواجد الدنا على عدة بنيات منها الدنا أ، الدنا ب والدنا ز، رغم أنه لم يتم سوى ملاحظة بنيتي الدنا أ والدنا ب في كائناتٍ وظيفيةٍ.[13] البنية التي يتخذها الدنا تعتمد على مستوى التميؤ، تسلسل الدنا، كمية واتجاه اللف الفائق، التغيرات الكيميائية للقواعد، نوع وتركيز الآيونات المعدنية ووجود متعددات الأمين في المحلول.[59]

لمعرفة بنية الدنا قام العلماء باستخدام تقنية دراسة البلورات بالأشعة السينية وكانت التقارير المنشورة الأولى حول أنماط حيود الأشعة السينية للدنا أ وب قد استخدمت دراسات مبنية على تحول باتيرسون التي أعطت معلومات محدودة عن هيئة سلال الدنا الموجهة.[60][61] وفي سنة 1953 تم اقتراح دراسات أخرى بواسطة ويلكنز وآل لأنماط حيود الأشعة السينية للدنا ب العالي التميؤ في الكائنات الحية وكانت عبارة عن مربعات دوال بيسل.[62] وفي نفس الصحيفة قدم جيمس واتسون وفرنسيس كريك دراساتهما حول النموذج الجزيئي لأنماط حيود الأشعة السينية للدنا مقترحين أن الهيئة كانت لولبا مزدوجا.[8]

رغم أن الهيئة ب هي الأكثر شيوعا في الظروف الموجودة داخل الخلايا [63] إلا أنها ليست هيئة محددة بدقة وإنما عائلة متقاربة من هيئات الدنا [64] التي تظهر في حالات التميؤ العالية الموجودة داخل الخلايا الحية، وأنماط حيود الأشعة السينية الخاصة بها هي سمة تميز البلورات الناقِصَة (paracrystals) مع درجة معتبرة من عدم الانتظام.[65][66]

مقارنة بالدنا ب فإن الدنا أ له قطر أكبر ويميني الإتجاه كذلك وله ثلم صغير سطحي وعريض وثلم كبير أضيق وأعمق، تظهر هذه الهيئة في الظروف غير الفيسيولوجية في عينات الدنا المجففة جزئيا، أما في الخلايا الحية فيمكن أن يتم إنتاجه بتزواج هجين لسلاسل الدنا والرنا وكذلك في مركبات إنزيم-دنا.[67][68] قِطعُ الدنا التي عُدِلت فيها القواعد كيميائيا بواسطة المثيلة يمكن أن تخضع لتحول كبير في الهيئة وتتخذ البنية ز التي تلتف فيها القواعد على يسار محور اللولب عكس البنية ب الأكثر شيوعا [69] هذا الشكل غير الاعتيادي يمكن التعرف عليه بواسطة بروتينات ترتبط بشكل خاص مع الدنا ز ويمكن أن يكون له دور في تنظيم النسخ.[70]

من اليسار إلى اليمين: هيئة الدنا أ، هيئة الدنا ب وهيئة الدنا ز.

دنا رباعي تشكل بتكرر القسيم الطرفي. الهيئة الحلقية للوحدات الأساسية للدنا مختلفة تماما عن الهيئة الشائعة للولب المزدوج، النقاط الخضراء في المركز تمثل أيونات البوتاسيوم.[74]

• موصل هوليداي: يتم تكوين موصل هوليداي خلال التأشيب المتماثل بين جزيئي دنا يحملان نفس المعلومة الوراثية (صبغيات متماثلة، كروماتيدات شقيقة)، لدى هذا الموصل هيئة على شكل صليب مع تسلسلات متماثلة تسمح له بالتحرك نحو اتجاه واحد أو الآخر. يتم إنشاؤه بواسطة مركب إنزيمي يسمى ريزولفاز (رتإ 3.1.22.4) ويمكن أن يقود إلى تعابر بين الجزيئين ينتج عنه تبادلٌ للمعلومات الوراثية.[75]
• دنا دبوس الشعر: يمكن لتسلسلات الدنا المتناظرة الالتفاف وتشكيل بنية تسمى الحلقة الجذعية،[76] بعض التسلسلات وخاصة التسلسلات ثلاثية النوكليوتيد (CAG)_n أو (CTG)_n يمكن أن تشكل دبابيس شعر غير تامة تكون فيها جزيئات الغوانين والسايتوسين مترابطة وجزيئات الأدينين والثايمين غير مترابطة.[77]
• الدنا الثلاثي: هي هيئة دنا تقوم فيها ثلاث جزيئات قليل النوكليوتيد بالالتفاف حول بعضها لتشكيل لولب ثلاثي، في هذه البنية تقوم تقوم سلسة دنا منفردة بالارتباط بلولب دنا مزدوج من البنية ب بواسطة الروابط الهيدروجينية العادية أو المعكوسة لهوغستين، ويمكن أن تلعب هذه الهيئة دورا في التنظيم الوظيفي للتعبير الجيني عن طريق تعديل نسخها لجزيئات رنا.
• الدنا الرباعي: تحتوي نهاية الصبغي الخطي على مناطق خاصة تدعى قسيمات طرفية وظيفتها السماح للخلية بمضاعفة نهايات الصبغي باستخدام إنزيم تيلوميراز وذلك لأن الإنزيمات التي تُضاعِف الدنا عادة لا يمكنها نسخ النهايات 3' للصبغيات،[78] كما تساعد هذه المناطق في حماية نهايات الدنا وإيقاف أنظمة الترميم في الخلية من اعتبارها تلفا يجب إصلاحه.[79] في الخلايا البشرية القسيمات الطرفية عبارة سلسلة منفردة من الدنا تحوي الآلاف من الوحدات النوكليوتدية البسيطة TTAGGG المتكررة.[80]

دنا ثلاثي، السلسلة
الثالثة بالأصفر.

هذه التسلسلات الغنية بالغوانين يمكن أن تجعل نهايات الصبغي مستقرة بتشكيل هياكل مرصوصة بوحدات رباعية القواعد بدل ثنائية القواعد المعتادة الموجودة في هياكل الدنا الأخرى، حيث تقوم أربع قواعد غوانين بتشكيل وحدة رباعية مسطحة وبعدها تتراص هذه الوحدات الرباعية فوق بعضها لتشكيل بنية رباعي الصبغيد-غ مستقرة.[81] تستقر هذه الهياكل الرباعية بواسطة روابط هيدروجينية بين نهايات هذه القواعد وتمخلب أيون معدني في مركز كل وحدة رباعية.[82]

تفرع واحد	تفرع متعدد

يمكن للدنا المتفرع تكوين شبكات تحوي العديد من التفرعات.

بالإضافة إلى هذه الهياكل المرصوصة، تشكل القسيمات الطرفية كذلك هياكل تسمى حلقات القسيم الطرفي أو حلقات ت تقوم فيها سلسلة دنا منفردة بالالتواء في حلقة طويلة تستقر بواسطة إنزيمات ترتبط بالقسيمات الطرفية.[83] في نهاية الحلقة ت يتم ضم السلسلة المنفردة للقسيم الطرفي إلى منطقة لدنًا مضاعفِ السلسلة وهذا يتسبب في إخلال التزاوج القاعدي لإحدى سلسلتي هذا اللولب المزدوج وتشكيل بنية ثلاثية السلاسل تسمى حلقة الإزاحة أو الحلقة د.[81]

• الدنا المتفرع: يحدث انسلال الدنا في إحدى نهايتي اللولب المزدوج حين تتوقف تسلسلات سلسلتَيْهِ عن كونها متكاملة حيث تفترق السلسلتان عن بعضهما وتتخذان هيئة Y، ويمكن للدنا أن يتشعب إن وُجدت سلسلة دنا ثالثة تحوي تسلسلا مكملا لكلا تسلسلي السلسلتين المفترقتين، فتتشكل هيئة مزدوجة متكاملة على شكل Y. مع أن أبسط أمثلة الدنا المتفرع تحوي ثلاث سلاسل دنا فقط فإن تواجد مركبات متفرعة تحوي سلاسل إضافية وعدة تفرعات أخرى ممكن كذلك.[84] ويتم استخدام الدنا المتفرع في تقنية النانو للدنا لإنشاء أشكال هندسية.

لأعوام عديدة اقترح علماءٌ في علم الأحياء الفلكي وجود محيط حيوي خفي، وهو محيط حيوي بكتيري افتراضي للأرض يستخدم عمليات كيمياء حيوية وجزيئية مختلفة جذريا عما هو معروف في الحياة حاليا. أحد المقترحات هو وجود أشكال حياة تستخدم الزرنيخ بدل الفسفور في الدنا. وتم نشر تقرير سنة 2010 حول إمكانية ذلك لدى البكتيريا الزرنيخية (GFAJ-1)،[85][85][86] إلا أن البحوث اختُلف حولها،[86][87] وأظهرت أدلةٌ أن البكتيريا تمنع بشكل نشط إدماج واستخدام الزرنيخ في العمود الفقري للدنا الخاص بها والجزيئات الحيوية الأخرى.[88]

سايتوسين	5-ميثيل سايتوسين	ثايمين

بنية السايتوسين مع ومن دون المجموعة 5-ميثيل، نزع الأمين يحول الـ5-ميثيل سايتوسين إلى ثايمين.

يتأثر التعبير الجيني بطريقة تحزيم (بالإنجليزية: Packaging)‏ الدنا في الصبغيات على هيئة تسمى كروماتين، يمكن لبعض القواعد المعدلة أن تكون لها علاقة بتكوين الكروماتينات في المناطق ضعيفة أو عديمة التعبير الجيني والغنية بقواعد السايتوسين عن طريق المثيلة خاصة في المناطق CpG، يمكن للهستونات التي يلتف الدنا حولها في الكروماتين أن تتغير بطريقة تساهمية ويمكن للكروماتين بحد ذاته أن يتغير بواسطة مركبات تغيير بنية الكروماتين، علاوة على ذلك فإن مثيلة الدنا والتعديل التساهمي للهستونات يساهمان معا في التأثير على الكروماتين والتعبير الجيني.[89]

على سبيل المثال تُنتج مثيلة السايتوسين 5-ميثيل سايتوسين وهو ضروري في تعطيل الصبغي X،[90] يختلف متوسط معدلات المثيلة بين الكائنات فالدودة الربداء الرشيقة تعوز مثيلة السايتوسين في حين أن الفقاريات لديها معدل مرتفع يصل حتى 1% من الدنا الخاص بها يحوي 5-ميثيل سايتوسين،[91] رغم أهمية الـ5-ميثيل سايتوسين إلا أنه قد يتعرض إلى نزع أمين ويصبح ثايمين وكذلك السايتوسين الذي يصبح يوراسيل، قواعد السايتوسين المُمَثْيَلة عرضة للطفرات.[92] من التغييرات الأخرى للقواعد مثيلة الأدنين عند البكتيريا ووجود 5-هيدروكسي ميثيل سايتوسين في الدماغ.[93] وغلكزة اليوراسيل لإنتاج القاعدة ج لدى ذوات منشأ الحركة.[94][95] التي تعمل كإشارة إنهاء النسخ للأنزيم بوليميراز الرنا 2.[96][97]

رابطة تساهمية بين الدنا وهيئة استقلاب نشطة لناتج إضافة لبنزو(a)بيرين، المطفّر الرئيسي في تدخين التبغ.[98]

يمكن للدنا التضرر بأنواع مختلفة من المطفِّرات التي تغيّر تسلسله، تتضمن هذه المطفرات: المؤكسدات، عوامل الألكلة والإشعاعات الكهرومغناطيسية عالية الطاقة مثل الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية. يتعلق نوع الضرر الحاصل بنوع المطفّر فعلى سبيل المثال يمكن للأشعة فوق البنفسجية الإضرار بالدنا بإنتاج مثنويات الثايمين وهي روابط جانبية بين قواعد البيريميدين.[99] من جهة أخرى تسبب المؤكسدات مثل الجذور الكيميائية الحرة أو بيروكسيد الهيدروجين أنواع مختلفة من الأضرار منها تغيير القواعد -خاصة الغوانوزين- وشروخ في السلسلة المزدوجة للدنا،[100] حيث يبلغ متوسط عدد القواعد التي عانت أضرارا من المؤكسدات في خلية نموذجية حوالي 150 ألف قاعدة.[101] أخطر هذه الآفات التأكسدية هي شروخ السلاسل المزدوجة وذلك لأنها صعبة الإصلاح وقد تُنتج طفرات نقطية، غرز، أو حذف في تسلسللات الدنا وكذلك انتقالات صبغية.[102] يمكن لهذه الطفرات أن تسبب السرطان بسبب آليات إصلاح الدنا المحدودة طبيعيا، لذا إن عاش البشر لوقت طويل بما فيه الكفاية فإن جميعهم في النهاية سيصاب بالسرطان.[103][104]

تضررات الدنا التي تحدث طبيعيا بسبب النشاطات الطبيعية للخلية التي تنتج كائنات متفاعلة مع الأكسجين، نشاطات الحلمأة لماء الخلية تظهر بشكل متواتر كذلك رغم أن معظم هذه الأضرار يتم إصلاحها. في أي خلية تبقى بعض تضررات الدنا رغم عمليات الإصلاح وتتراكم هذه التضرارت مع مرور الزمن في الخلايا تالية التفتل لأنسجة الثدييات، هذا التراكم يبدو عاملا أساسيا مهما في الشيخوخة.[105][106][107]

تدخل العديد من المطفِّرات في الفراغ الموجود بين زوجين قاعديين متجاورين فيما يعرف بـ الإقحام ومعظم المقتحمات جزيئات عطرية ومستوية ومن الأمثلة: بروميد الإيثيديوم، الأكريدينات وداونوروبيسين، لكي يدخل المقتحم بين القواعد يجب عليه فصلها وهذا يشوه سلسلتي الدنا بسبب فك التواء اللولب المزدوج، هذا التشوه يمنع كلا من نسخ وتضاعف الدنا ويسبب تسمما وطفرات.[108] وكنتيجة لذلك يمكن لمقتحمات الدنا أن تكون مسرطنات وفي حالة الثاليدوميد، ماسخات،[109] مقتحمات أخرى مثل بنزو(a)بيرين ديول إيبوكسيد وأفلاتوكسين يشكلان نواتج إضافة تُحدث أخطاءً في التضاعف.[110] مع ذلك وبسبب قدرتها على تعطيل ومنع نسخ وتضاعف الدنا؛ تستخدم مقتحمات سامة أخرى مشابهة في العلاج الكيميائي لمنع النمو السريع للخلايا السرطانية.[111]

مكان تواجد الحمض النووي الصبغي عند حقيقيات النوى.

يُحزم جينوم الدنا بشدة وانتظام خلال عملية تسمى تكثيف الدنا ليسع الأحجام الصغيرة المتوفرة في الخلية، يتواجد الدنا عند حقيقيات النوى في النواة مع كميات صغيرة في الميتوكندريون والبلاستيدات الخضراء أما عند بدائيات النوى فإن الدنا مخزن في جسيم غير منتظم الشكل يسمى نوواني.[113] المعلومات الجينية في الجينوم موجودة داخل الجينات ومجموع هذه المعلومات في كان حي يسمى نمط جيني، والجين هو وحدة وراثة وهو عبارة عن منطقة من الدنا تؤثر في صفة معينة لكائن ما، تحتوي الجينات قالب قراءة مفتوح يمكن نسخه بالإضافة إلى تسلسلات منظم مثل المحفزات والمعززات والتي تتحكم في عملية نسخ قالب القراءة المفتوح.

في العديد من الأجناس لا يٌشفِّر البروتينَ سوى كمية صغيرة من المجموع الكلي للجينوم، على سبيل المثال عند البشر 1.5% من الجينوم البشري عبارة عن إكسونات تشفر بروتينات، مع كون 50% من الدنا البشري عبارة عن تسلاسلات متكررة غير مُشفِّرة.[114] يمثل سبب وجود كم كبير من الدنا غير المشفر في جينوم حقيقيات النوى والفروق الكبيرة في حجم الجينوم -القيمة س- بين الأجناس لغزا طويل الأمد يعرف بمعضلة القيمة س.[115] رغم ذلك بعض تسلسلات الدنا غير المشفرة يمكن أن تشفر رنا غير مشفر وظيفيا مهمته ضبط التعبير الجيني.[116]

بعض تسلسلات الدنا غير المشفرة تلعب أدوارا بنيوية في الصبغيات، تحتوي القسيمات الطرفية والقطع المركزية على بعض الجينات لكنها مهمة لوظيفة واستقرار الصبغيات.[79][117] الجينات الكاذبة نوع وافر في الجينوم البشري من الدنا غير المشفر وهي نسخ من جينات تم تعطيلها بواسطة الطفرات،[118] هذه الجينات الكاذبة عبارة عن مستحاثات جزيئية رغم أنها تلعب أحيانا دور المادة الجينية الخام لإنشاء جينات جديدة عبر عملية التضاعف الجيني وعملية التطور التباعدي.[119]

الانقسام الخلوي عملية أساسية لنمو الكائن، وحين تتم هذه العملية فعلى الخلية مضاعفة الدنا في جينومها لكي تحصل الخليتيان البنت على نفس المعلومات المتواجدة في الخلية الأم، توفر هيئة الدنا اللولبية المزدوجة طريقة بسيطة لتضاعف الدنا. أثناء عملية التضاعف تقوم إنزيمات التوبوإيزوميراز بفك التواء السلسلة المضاعفة ثم تقوم إنزيمات الهيليكاز بحل الروابط الهيدروجينية بين النوكليوتيدات وفصل السلسلتين عن بعضهما وبعدها يتم إنتاج سلسلتين متكاملتين بواسطة إنزيم بوليميراز الدنا، تقوم هذه الإنزيمات بإنتاج سلسلة مكملة بإيجاد القاعدة الصحيحة عبر ترابط القواعد المكمل ثم ربطها بالسلسلة الأصلية، ولأن إنزيمات بوليمراز الدنا لا تُنتج السلاسل سوى في الاتجاه 5' إلى 3' يتم استخدام طريقة أخرى لنسخ السلاسل المقابلة في لولب الدنا المزدوج.[120] بهذه الطريقة القاعدة في السلسلة القديمة تحدد القاعدة التي ستظهر في السلسلة الجديدة ويغدو لدى الخلية نسخة جديدة من دناها.

تضاعف الدنا. يتم فك لولب الدنا المضاعف بواسطة إنزيمي توبوإيزوميراز والهيليكاز، بعدها ينتج إنزيم بوليميراز الدنا δ نسخة من السلسلة القائدة، أما السلسلة المتأخرة فيقوم إنزيم بوليميراز الدنا α بإنتاج قطع غير مستمرة (تسمى قطع أوكازاكي) ليقوم بعدها إنزيم ليغاز الدنا بتجميعها مع بعض لإنتاج سلسلة كاملة.

انتقال وترجمة المعلومة الوراثية يسمح بتحول النمط الجيني إلى نمط ظاهري.

التعبير الجيني هو تحول النمط الجيني لكائن ما إلى نمط ظاهري؛ أي إلى مجموعة الخصائص المميزة للكائن، تتأثر هذه العملية بالعديد من المحفزات الخارجية المختلفة وتحتوي ثلاث مراحل أساسية كبيرة هي:

• نسخ الدنا إلى رنا وهو حمض نووي مختلف يملك وظيفة بيولوجية معينة على حسب نوعه (ناقل، ريبوسومي..إلخ) أو الرنا الرسول الذي يعمل كوسيط وحامل المعلومة لاصطناع البروتين.[121]
• ترجمة الرنا الرسول إلـى بروتين.
• نشاط جزيئات الرنا غير المشفرة والبروتينات داخل الكائنات.

مع ملاحظة أنه يمكن لنفس الدنا الخاص بكائن ذو مرحلتي تطور أن يُعبر عن نفسه بشكل غير متشابه تماما (بسبب مثبطات ومحفزات مختلفة)، أفضل مثال معروف عن ذلك هو اليسروع والفراشة حيث أنهما شكليا مختلفان كثيرا.

نسخ الحمض النووي الصبغي إلى حمض نووي ريبوزي.

النسخ عملية بيولوجية يتم فيها نسخ المعلومة الوراثية المشفَّرة في جين معين من تسلسلات نوكليوتيدات الدنا الموافقة له وإنتاج جزيئات رنا مختلفة مشفِّرة وغير مشفِّرة بواسطة إنزيمات بوليميراز الرنا، سلسلة هذه الجزيئات مماثلة في تركيبها لسلسلة الدنا باستثناء احتواء وحدتها الأساسية على ريبوز بدل الريبوز منقوص الأكسجين وقاعدة اليوراسيل مكان الثايمين، تخضع جزيئات الرنا الأولية الناتجة والتي تسمى "الرنا قبل الرسول" إلى تعديلات ما بعد الترجمة من تقبيع وتذييل بعديد الأدينيلات لإنتاج رنا رسول مستقر وناضج قادرٍ على تحمل عملية الترجمة أثناء تخليق البروتين.[122] العلاقة بين تسلسل نوكليوتيدات الجين والحمض الأميني محددة بقواعد الترجمة المعروفة بالشيفرة الجينية، تتكون الشيفرة الجينية من كلمات ذات ثلاث أحرف تسمى رامزات أو كودونات مكونة من تسلسل حروف ثلاث نوكليوتيدات (مثال ACT، CAG ،TTT).[123]

الترجمة هي عملية تحويل المعلومة الوراثية المحمولة في جزيء الرنا الرسول الناضج المغادر للنواة إلى بروتين (أوفي بعض الأحيان عدة بروتينات)، حيث يتم فك شيفرته بواسطة الريبوسوم الذي يقرأ تسلسلات الرنا وذلك بربط تسلسلات قواعد الرنا الرسول مع قواعد ضد الكودون للرنا الناقل الذي يحمل معه الأحماض الآمينية،[124] وبما أنه توجد أربع قواعد؛ في توليفة ثلاثة حروف يكون هنالك 64 كودونا ممكنا (43 توليفة) هذه التوليفات تشفِّر العشرين حمض أميني الأساسية، مانحة معظم الأحماض الأمينية أكثر من كودون واحد ممكن، كما توجد ثلاث رامزات 'توقف' أو 'بلا معنى' تشير إلى نهاية المنطقة المشفرة وهذه الرامزات هي TAA، TGA وTAG.

ليغاز الدنا الموضح بالأعلى يقوم بترميم ضرر صبغيي.

ترميم الدنا هو مجموعة عمليات تتعرف بها الخلية على أضرار في جزيئات الدنا وتصححها، في الخلايا البشرية يسبب كل من نشاط الأيض وعوامل طبيعية مثل الإشعاعات أضرارا للدنا تقدر بحوالي 1 مليون آفة جزيئية لكل خلية كل يوم.[125] حيث تسبب العديد من هذه الآفات ضررا هيكليا لجزيء الدنا يمكن أن يغير أو يقضي على قدرة الخلية على ترجمة جيناتها المتضررة، بعض الآفات الأخرى تحدث طفرات محتملة الضرر في جينوم الخلية وهو ما يؤثر على قدرة بقاء الخلايا البنت بعد عملية الانقسام المتساوي، ونتيجة لهذا فإن نظام ترميم الدنا نشط باستمرار لترميم الضرر في بنية الدنا، حين يفشل نظام الترميم ولا يحدث نظام الاستماتة الخلوي فإنه يحدث ضرر في الدنا غير قابل للترميم بما في ذلك شروخات في السلسلة المزدوجة، والارتباط التشابكي للدنا (ترابط شبكي بين السلاسل)،[126][127] يمكن أن يقود هذا إلى أورام خبيثة أو إلى السرطان حسب فرضية ندسون.

معدل سرعة ترميم الدنا يعتمد على عدة عوامل منها: عمر الخلية، نوعهـا، ومحيطها الخارجي. الخلية التي تراكمت فيها كمية كبيرة من أضرار الدنا والخلية التي لا يمكنها ترميم أضرار الدنا الخاص بها بفعالية يمكن أن ينتهي بها الحال إلى أحد ثلاث إمكانيات:

1. حالة متعذرة العكس من السكون تعرف بالهرم.
2. انتحار للخلية يعرف بالاستماتة أو موت الخلية المبرمج.
3. انقسام خلوي غير منتظم يقود إلى تشكيل ورم سرطاني.

قدرة الخلية على ترميم الدنا أساسية لسلامة جينوميها ومنه قيام الكائن بالوظائف بشكل طبيعي، العديد من الجينات التي ظهر في البداية أنها تؤثر على متوسط العمر اتضح أن لها علاقة بحماية الدنا وترميم أضراره.[128]، يوجد ثلاث أنواع من الترميم: استئصال النوكليوتيد، استئصال القاعدة وترميم الدنا غير المتطابق.

يصدر معظم الحمض النووي الصبغي الخارجي المجرد (eDNA) بموت الخلية، وهو واسع الانتشار في الطبيعة حيث يبلغ تركيزه في التربة حوالي 2 ميكروغرام/ل وتركيزه في الأوساط المائية الطبيعية قد يبلغ 88 ميكروغرام/ل.[129] تم اقتراح العديد من الوظائف للدنـا الخارجي: فقد تكون له علاقة في نقل الجينات الأفقي؛[130] قد يوفر مغذيات؛[131] وقد يعمل كمنظم لجذب أو معايرة الأيونات أو المضادات الحيوية.[132] يعمل الدنا الخارجي كمكون -عبارة عن مصفوفة وظيفية خارجية- في بيـوفيلم العديد من الأجناس البكتيرية، كما يمكن أن يعمل كعامل تعرّف لتنظيم ارتباط وتشتيت أنواع خلايا محددة في البيوفيلم،[133] كما يمكن أن يساهم في تكون البيوفيلم،[134]، ويمكن أن يساهم في القوة الفيزيائية للبيوفيلم ومقاومته للضغظ البيولوجي.[135]

يوجد الدنا الجنيني من دون خلايا في دم الأم، ويمكن فحص تسلسله لمعرفة معلومات كثيرة حول تطور الجنين.[136]

تفاعل الدنا (بالبرتقالي) مع الهستونات (بالأزرق). هذه البروتينات التي أساسها الأحماض الأمينية تترابط مع مجموعات الفوسفات الحمضية في الدنا.

البروتينات البنيوية التي ترتبط بالدنا هي أمثلة مفهومة جدا عن التفاعلات غير المحدَّدَة للدنا مع البروتين. يوضع الدنا داخل الصبغيات في مركبات مع بروتينات بنيوية، تنظم هذه البروتينات الدنا على شكل هيئة متراصة تدعى كروماتين، لدى حقيقيات النوى يتطلب حدوث هذه الهياكل ترابط الدنا مع بروتينات صغيرة تسمى الهستونات، أما عند بدائيات النوى فيتطلب ذلك أنواعا عديدة من البروتينات.[137][138] تشكل الهستونات مركب على شكل قرص يسمى جسيم نووي يحوي دورتين كاملتين لدنا مزدوج السلاسل ملفوف على سطحه، تشكلت هذه التفاعلات غير المحددة بسبب قيام الوحدات الأساسية في الهستونات (أحماض أمينية) بتشكيل روابط أيونية مع مجموعات الفوسفات الحمضية في الوحدة الأساسية للدنا ومنه لا تعتمد هذه التفاعلات بشكل كبير على تسلسل القواعد.[139] التغيرات الكيميائية لهذه الأحماض الآمينية تشمل المثيلة، الفسفرة والأستلة.[140] تُغيِّر هذه التغيرات الكيميائية قوة التفاعل بين الدنا والهستونات، جاعلة الدنا أكثر أو أقل قابلية لوصول عوامل النسخ إليه وتغير معدل سرعة النسخ.[141] بروتينات الترابط غير المحدد بالدنا الأخرى في الكروماتين تشمل مجموعة البروتين عالية الحركة التي ترتبط بالدنا لتحنِيَه أو تلويه.[142] وهذه البروتينات ضرورية لطي مصفوفات من الجسيمات النووية وترتيبها في هيئة أكبر تشكل الصبغيات.[143]

عامل النسخ المثبط لمدا مرتبط بهدفه في الدنـا (ببب 1LMB).[144]

توجد مجموعة مميزة من البروتينات المرتبطة بالدنا ترتبط بشكل محدد في سلسلة واحدة من الدنا، لدى البشر بروتين التضاعف A هو أفضل عنصر مفهوم من هذه العائلة ويستخدم في عمليات يكون فيها اللولب المزدوج مفصولا، بما في ذلك تضاعف الدنا، إعادة التركيب وترميم الدنا،[145] يبدو أن هذه البروتينات تعمل على استقرار سلسلة الدنا المفردة ومنعها من تشكيل حلقة جذعية أو تحللها بواسطة النوكليازات.

في المقابل تطورت بروتينات أخرى لترتبط بتسلسل دنا محدد، أكثر أنواع هذه البروتينات دراسة هي عوامل النسخ المختلفة، وهي بروتينات تنظم عملية النسخ حيث يرتبط كل عامل نسخ بتسلسل دنا واحد مخصص لتفعيل أو تثبيط نسخ الجينات التي يتواجد تسلسلها بالقرب من محفزاتها. تُنجز عوامل النسخ ذلك بطريقتين، أولا يمكنها الارتباط ببوليميراز الرنا المسؤول عن عملية النسخ سواء مباشرة أو عبر بروتينات وسيطة أخرى، هذا يجعل البوليميراز يتواجد على المحفز ويسمح ببدء النسخ.[146] ثانيا يمكن لعوامل النسخ الارتباط بالإنزيمات المعدلة للهستونات في المحفز، وهذا يغير قابلية الوصول لسلسة الدنا القالب بالنسبة للبوليميراز.[147]

لأن مواقع الارتباط بالدنا هذه يمكن أن تظهر في مختلف مناطق جينوم الكائن؛ فإن تغيرات في نشاط أحد أنواع عوامل النسخ يمكن أن يؤثر على الآلاف من الجينات.[148] ونتيجة لذلك فإن هذه البروتينات عادة أهدافٌ لتوصيل الإشارة التي تتحكم بالردود اتجاه التغيرات المحيطية أو التمايز الخلوي والنمو. اختصاص تفاعلات عوامل النسخ هذه مع الدنا يأتي من قيام هذه البروتينات باتصالات عديدة مع حواف قواعد الدنا، وهذا يسمح لها بقراءة تسلسل الدنا. تتم معظم تفاعلات القواعد هذه في الثلم الكبير أين يكون الوصول لمعظم القواعد ممكنا.[45]

إنزيم التقييد إيكور5 في مركب مع ركيزة الدنا خاصته.[149]

النوكليازات هي إنزيمات تقوم بقص سلاسل الدنا بتحفيز حلمـأة روابط الفوسفات ثنائية الأستر. تسمى النولكيازات التي تقوم بحلمأة النوكليوتيدات عند نهايات سلسلتي الدنا نوكليازات خارجية وتسمى التي تقوم بالقص داخل السلاسل نوكليازات داخلية، أكثر إنزيمات النوكلياز استخدما في علم الأحياء الجزيئي هي إنزيمات التقييد الداخلية التي تقطع الدنا في تسلسلات محددة، على سبيل المثال: إنزيم إيكور5 الموضح في الصورة يمينا يتعرف على على التسلسل السداسي 5′-GATATC-3′ ويقوم بالقطع على الخط الأفقي. في الطبيعة تحمي هذه البروتينات البكتيريا من عدوى العاثيات وذلك بهضم دنا العاثية لدى دخوله خلية البكتيريا، متصرفة كجزء من نظام منع التغييرات،[150] وفي التكنولوجيا تستخدم هذه الإنزيمات المختصة بتسلسلات معية في التنسيل الجزيئي والبصمة الوراثية.

يمكن لإنزيمات تسمى ليغازات الدنا إعادة وصل سلاسل الدنا المقطوعة أو المبتورة،[151] وهي مهمة بشكل خاص للسلسة المتأخرة في عملية تضاعف الدنا حيث تقوم بتجميع قطع أوكازاكي القصيرة في شوكة التضاعف إلى نسخة كاملة من السلسلة الدنا القالب، كما تستخدم في ترميم الدنا وإعادة التركيب الجيني.[151]

التوبوإيزوميرازات هي إنزيمات تجمع نشاط كل من النوكلياز والليغاز، حيث تغير هذه البروتينات في كمية لف الدنا الفائق، تعمل بعض هذه الإنزيمات على قطع لولب الدنا والسماح لأحد مقاطعه بالدوران ومنه التخفيف في مستوى اللف الفائق وبعدها يقوم الإنزيم بإعادة وصل القطع،[54] أنواع أخرى من هذه الإنزيمات يمكنها قطع إحدى سلسلتي لولب الدنا ثم تمرير السلسلة الأخرى عبر ذلك القطع قبل إعادة جمع اللولب.[152] وهذه الإنزيمات مطلوبة في العديد من العمليات المتعلقة بالدنا مثل تضاعف الدنا والنسخ.[55]

الهيليكازات هي بروتينات تعتبر كنوع من المحركات الجزيئية، حيث تستخدم الطاقة الكيميائية في النوكليوسيدات ثلاثية الفوسفات وفي الغالب أدينوسين ثلاثي الفوسفات لكسر الروابط الهيدروجينية بين القواعد وفك لولب الدنا المزدوج لسلسلتين مفردتين.[153] هذه الإنزيمات ضرورية في معظم العمليات التي تتطلب وصول الإنزيمات إلى قواعد الدنـا.

مبدأ عمل إنزيم بوليميراز الدنـا.

البوليميرازات هي إنزيمات تقوم بتخليق سلاسل عديدة النوكليوتيد من نوكليوسيدات ثلاثية الفوسفات، تسلسل نواتجها يخلَّق اعتمادا على سلاسل عديدة النوكليتويد موجودة مسبقا تسمى السلاسل القالب، تعمل هذه الإنزيمات بإضافة نوكليوتيد بشكل مستمر لمجموعة هيدروكسيل النهاية 3' لسلسلة عديد نوكليوتيد متنامية، وكنتيجة لذلك تعمل البوليميرازات في الاتجاه 5' إلى 3'.[154] في الموقع النشط لهذه الإنزيمات تترابط قاعديا النوكليوسيدات ثلاثية الفوسفات القادمة مع السلسة القالب: وهذا يسمح للبوليميرازات بتخليق سلسلة مكملة لسلسلة القالب بشكل دقيق. تصنف البوليميرازات حسب نوع السلسلة القالب التي يستخدمونها.

في عملية تضاعف الدنا تقوم بوليمرازات الدنا -المتعلقة بالدنا- بعمل نسخ لسلاسل الدنا عديدة النوكليوتيد. للحفاظ على المعلومة البيولوجية؛ أمر جوهري أن يتم نسخ تسلسل القواعد في كل نسخة بشكل دقيق ومكمل لقواعد السلسة القالب. لدى العديد من بوليميرازات الدنا نشاط التصحيح حيث تتعرف على الأخطاء التي تقع أحيانا في تفاعلات التخليق بواسطة عدم وجود ترابط قاعدي بين النوكليوتيدات غير المتكاملة. إن تم اكتشاف عدم تكامل يُنَشّط إنزيم نوكلياز خارجي 3′ إلى 5′ وتتم إزالة القاعدة.[155] يَنشُط البوليميراز لدى معظم الكائنات في مركبات كبيرة تسمى ريبليسومات والتي تحتوي على العديد من المركبات الإنزيمية الفرعية مثل رابط الدنا والهيليكاز.[156]

بوليمرازات الدنا -المتعلقة بالرنا- هي قسم خاص من البوليمرازات التي تقوم بنسخ تسلسل سلسلة رنا في الدنا، حيث تشمل إنزيم النسخ العكسي وهو إنزيم شائع له علاقة بإصابة الخلايا بالفيروسات الراجعة، إنزيم التيلوميراز الضروري لتضاعف القسيمات الطرفية.[78][157] على سبيل المثال إنزيم النسخ العكسي لفيروس العوز المناعي البشري هو إنزيم لتضاعف فيروس الإيدز.[157] التيلوميراز هو بوليميراز غير اعتيادي لأنه يحوي سلسلة الرنا القالب خاصته كجزء من بنيته، ويقوم بتصنيع القسيمات الطرفية في نهايات الصبغيات حيث تمنع القسيمات الطرفية نهايات الصبغيات من الاندماج مع نهايات الصبغيات المجاورية وتحميها من التضرر كذلك.[79]

تتم عملية النسخ بواسطة بوليمرازات الرنا -المتعلقة بالدنا- حيث تقوم بنسخ تسلسل سلسلة دنا إلى رنا. للبدء في عملية نسخ جين يرتبط بوليميراز الرنا بتسلسل دنا محدد يسمى المحفز وبعدها يقوم بنسخ تسلسل الجين لإنتاج رنا رسول حتى يصل منطقة تسمى المنهي حيث يتوقف وينفصل عن الدنا. كما هو الحال بالنسبة لبوليميرازات الدنا المتعلقة بالدنا؛ يعمل إنزيم بوليميراز الرنا 2 الذي ينسخ معظم الجينات في الجينوم البشري في مركبات إنزيمية كبيرة تحوي العديد من الوحدات الثانوية التنظيمية والملحقة.[158]

وردة توليب تُظهِر بتلة صفراء جزئيا نتيجة طفرة في جيناتها.

الطفرة هي تغير دائم في تسلسل نوكليوتيدات جينوم كائن حي، فيروس، دنا غير صبغي أو أي عناصر جينية أخرى، وتنتج الطفرات من أخطاء أثناء عملية تضاعف الدنا أو أي أنواع أخرى من تضررات الدنا مثل التعرض للأشعة أو المسرطنات، والتي تخضع لعملية تصحيح ميّالة للخطأ خاصة (وصل النهاية الميكرو تناظري المتوسط [159]) أو أي خطأ في أنواع أخرى من التصحيح،[160][161] كما يمكن أن تنتج الطفرات من إدخال أو حذف قطع دنا بسبب عناصر وراثية متحركة.[162][163][164] قد وقد لا تُحدِث الطفرات تغيرات قابلة للتمييز في الخصائص المرئية (النمط الظاهري) للكائن وتلعب الطفرات دورا في كل العمليات البيولوجية الطبيعية وغير الطبيعية: السرطان، التطور وتطور الجهاز المناعي بما في ذلك التنوع الوصلي.

يمكن للطفرات التسبب بأنواع مختلفة من التغير في التسلسل، والطفرات في الجين إما أن لا يكون لها تأثير أو أن تُغيِّر ناتج الجين أو تمنع الجين من النشاط كما ينبغي أو بشكل كامل، يمكن للطفرات الحدوث في مناطق غير جينية، تقترح إحدى الدراسات المتعلقة بالتغيرات الجينية بين مختلف أجناس الدروسوفيلا أنه إن غيرت الطفرة بروتينا يُنتَج من الجين فإن النتيجة تكون على الأرجح ضارة مع تقدير 70 بالمئة من تعددات الأشكال بسبب الحمض الأميني لها آثار ضارة والباقي يكون إما حيادي التأثير أو له فائدة هامشية.[165] بسبب التأثيرات الضارة التي يمكن أن تلحقها الطفرات بالجينات؛ يوجد لدى الكائنات آليات مثل ترميم الدنا لمنع أو تصحيح الطفرات بإعادة التسلسل المطفَّر إلى حالته الأصلية.[162]

بنية موصل هوليداي وهي مرحلة وسطية في إعادة التركيب الجيني، سلاسل الدنا الأربعة المنفصلة ملونة بالأحمر، الأزرق، الأخضر والأصفر.[166]

يلزم في إعادة التركيب فك وإعادة تجميع صبغيين (M وF) لإنتاج صبغيين معادا التركيب (C1 وC2).

في العادة لا يتفاعل لولب الدنا مع قطع أخرى من الدنا، وفي الخلايا البشرية تشغل الصبغيات مناطق منفصلة في النواة تسمى مناطق الصبغي.[167] هذا الفصل الفيزيائي لمختلف الصبغيات مهم لقدرة الدنا على العمل كمستودع للمعلومات، من المرات القليلة التي تتفاعل فيها الصبغيات فيما بينها هي في التعابر الصبغيي الذي يحدث أثناء التكاثر الجنسي والذي يحدث فيه التأشيب الجيني. التعابر الجيني هو انفكاك صبغيين وتبادل قطعة دنا بينهما ثم إعادة تشكلهما.

يسمح التأشيب الجيني للصبغيات بتبادل المعلومات الجينية وإنتاج توليفات جديدة من الجينات، والتي تزيد فعالية الاصطفاء الطبيعي ويمكن أن تكون مهمة لسرعة تطور بروتينات جديدة.[168] يمكن أن يكون للتأشيب الجيني علاقة بترميم الدنا خاصة في رد الخلايا على شروخ السلاسل المزدوجة.[169]

أكثر أنواع التعابر الصبغيي شيوعا هو التأشيب المتماثل حيث يتشارك فيه صبغيان تسلسلات مماثلة جدا، أما التأشيب غير المتماثل فيمكن أن يكون مضرا بالخلايا كما يمكن أن يُنتِج انتقالات صبغيية وتشوهات صبغيية. تُحفَّز عملية التأشيب بواسطة إنزيمات تسمى ريكومبيناز مثل RAD51.[170] أول خطوة في التأشيب هو تقطُّع السلسلة المزدوجة إما بواسطة نوكلياز داخلي أو ضرر في الدنا،[171] بعدها يحفز الريكومبيناز سلسلة من الخطوات تقود إلى تجميع لولبي الدنا بواسطة موصل هوليداي واحد على الأقل والتي يتم فيها تثبيت قطعة من كل سلسلة مفردة لكلا اللولبين في السلسلة المكملة للولب الآخر. موصل هوليداي بنية رباعية يمكنها التحرك على طول زوج الصبغيات مُبدِّلّة إحدى السلسلتين بالأخرى، بعدها تُوقَفُ عملية التأشيب بفصل الموصل وإعادة تركيب الدنا المنفصل.[172] السلاسل المتماثلة في القطبية وحدها من يتبادل الدنا فيما بينها أثناء التأشيب، هناك نوعان من القص: قص شرق-غرب وقص شمال-جنوب، يشمل القص شمال-جنوب كلا السلسلتين ويقطعهما في حين أن قص شرق-غرب يبقي إحدى السلسلتين سليمة. تَشكُّل موصل هوليداي أثناء التأشيب يسمح بالتنوع الجيني، تبادل الجينات في الصبغيات، والتعبير عن الجينومات الفيروسية المتنوعة.

بنية مركب ينقول بكتيري.

العناصر الوراثية المتحركة للبكتيريا.

المعلومة الجينية المشفَّرَة في الدنا ليست ثابتة عبر الزمن وبعض التسلسلات عرضة للانتقال من مكان إلى آخر في الجينوم، وهذه التسلسلات هي العناصر الوراثية المتحركة. وهي عبارة عن مطفِّرات يمكنها تغيير جينوم الخلايا ونجد من بينها خاصة الينقولات والينقولات الراجعة، تعمل هذه الأخيرة -عكس الأولى- عبر رنا وسيط مُنتِجَةً تسلسل دنا بواسطة عملية النسخ العكسي. تتحرك هذه العناصر داخل الجينوم تحت تأثير الترانسبوزازات وهي إنزيمات خاصة تفصل هذه العناصر من جهة وتربطها في جهة أخرى من الجينوم، وهي مسؤولة عن انتقال ما لا يقل عن 40% من الجينوم البشري خلال تطور الإنسان العاقل.[173]

تشكل هذه العناصر القابلة للنقل نسبة مهمة من الجينوم لدى الكائنات الحية، خاصة لدى النبات حيث تمثل فيه النسبة الأكبر من الحمض النووي، فمثلا لدى الذرة 49-78% من جينومه عبارة عن ينقولات راجعة،[174] جينوم القمح 90% منه عبارة عن تسلسلات متكررة و68% منه عناصر متحركة،[175] لدى الثدييات نصف الجينوم تقريبا (45-48%) عبارة عن عناصر متحركة أو بقايا عناصر متحركة، وحوالي 42% من الجينوم البشري مكون من الينقولات الراجعة في حين أن 2-3% منه عبارة عن ينقولات دنا.[176] ومنه فهي عناصر مهمة لعمل وتطور جينوم الكائنات الحية.[177]

الإنترونات التي تصنف إلى مجموعة I ومجموعة II هي نوع آخر من العناصر الوراثية المتحركة وهي عبارة عن ريبوزيمات أي تسلسللات رنا تملك قدرة التحفيز مثل الإنزيمات وقادرة على تحفيز وصلها ذاتيا. إنترونات المجموعة I تحتاج نوكليوتيدات غوانين لكي تعمل على عكس إنترونات المجموعة الثانية. توجد على سبيل المثال إنترونات المجموعة I بصورة فردية لدى البكتيريا وبعدد أكبر قليلا لدى حقيقيات النوى البسيطة وبأعداد كبيرة جدا لدى النباتات الوعائية. كما نجدها لدى عدد كبير من عاثيات البكتيريا موجبة الغرام،[178] ولدى القليل من العاثيات سالبة الغرام مثل العاثية T4.[178][179][180][181]

نقل أفقي للجينات (2) بين السلالتين (1) و(3).

يمكن لمعلومة الخلية الوراثية التطور تحت تأثير دمج وإضافة مادة وراثية خارجية مُمتصة عبر الغشاء الخلوي ويسمى ذلك النقل الأفقي للجينات، وهو عكس النقل العمودي الناتج من تكاثر الكائنات الحية ويتم بين وحيدات الخلية و/أو متعددات الخلية،[182] وهو عامل أساسي في تطور العديد من الكائنات.[183][184]

النقل الأفقي للجينات هو الآلية الأساسية في انتشار مقاومة المضادات الحيوية لدى البكتيريا [183][185][186][187][188] ويلعب دورا مهما في تطور البكتيريا التي يمكنها تحليل المركبات الصناعية الجديدة التي يصنعها الإنسان مثل المبيدات الحشرية،[189] وتطور وصيانة وانتقال حدة الجرثوم [190] وغالبا ما يتعلق ذلك بالعاثيات والبلازميدات.[191][192][193] يمكن أن تنتقل الجينات المسؤولة عن مقاومة المضادات الحيوية لدى إحدى أنواع البكتيريا إلى أنواع أخرى عبر عدة آليات منها F-pilus أو الشعرة الإخصابية مانحة إياها مقاومة لهذه المضادات وهو أمر طبي صار التعامل معه عسيرا، ويفترض كذلك أن النقل الأفقي للجينات يعزز المحافظة على حياة كيموحيوية شاملة، وكنتيجة لذلك على شمولية الشيفرة الجينية.[194]

تَركَّز معظم الاهتمام والبحث في علم الوراثة على النقل العمودي، لكن بدأت أهمية النقل الأفقي للجينات بين وحيدات الخلية تلقى الاهتمام.[195][196]

يمكن اعتبار توصيل الجين كنقل أفقي للجينات وهو نوع من الهندسة الوراثية.

وردة زرقاء كائن معدل وراثيا.[209][210]

تم تطوير طرق عديدة لاستخلاص الدنا من الكائنات الحية مثل طريقة استخلاص فينول-كلوروفورم وطرقٍ لمعالجته وتعديله في المختبر مثل طريقتي اهتضام التقييد وتفاعل البوليميراز المتسلسل. يستخدم علما الأحياء والكيمياء الحيوية الحديثين هذه الطرق بشكل كبير في تكنولوجيا الدنا المؤشب، الدنا المؤشب هو تسلسل دنا من صنع الإنسان تم تجميعه من تسلسللات دنا أخرى، حيث يمكن نقله إلى كائنات مختلفة على شكل بلازميدات أو على الشكل المناسب باستخدام ناقل فيروسي.[211]

الكائنات المعدلة وراثيا المنتَجَة يمكن استخدامها لإنتاج منتجات مثل البروتينات المؤشبة المستخدمة في البحث الطبي [212] أو لزرعها وتحسين منتجات الزراعة،[213][214] تم تعديل نباتاتٍ لحمايتها من الحشرات وجعل مقاومتها أكبر ضد مبيدات الحشرات، الفيروسات والضغوط الطبيعية وتحسين قيمتها الغذائية ولإنتاج اللقاحات الصالحة للأكل.[215] معظم الكائنات المعدلة وراثيا المروج لها هي إما محاصيل نباتات مقاومة للحشرات أو للمبيدات.[216] يتم استخدام الحيوانات المعدلة جينيا في البحوث أو لتحسين نماذجها أو لإنتاج منتجات زراعية وصيدلية. وتشمل هذه التعديلات إزالة جيناتٍ لجعلها أقل عرضة للمرض، وزيادة الهرمونات لنمو أكبر وللقدرة على توفير البروتينات في الحليب.[217]

الريبوزيمات منزوعة الأكسجين وتسمى كذلك إنزيمات الدنا أو الدنا المُحفِّز اكتُشِفت أول مرة سنة 1994.[218] وهي في الغالب تسلسل دنا منفرد معزول من كمية كبيرة من تسلسلات دنا عشوائية عبر عملية توليفية تسمى اختيار في المختبر أو تطور منظومي للربائط بواسطة الاغناء المطرد (SELEX). تحفز إنزيمات الدنا مختلف التفاعلات الكيميائية بما في ذلك قص مركبات دنا-رنا، ربط مركبات دنا-رنا، فسفرة ونزع فوسفات الأحماض الآمينية، تشكيل روابط كاربون-كربون ...إلخ. يمكن لإنزيمات الدنا تحسين معدل تحفيز العمليات الكيميائية إلى 100 مليار مرة العملية غير المحفزة.[219] أكثر أصناف إنزيمات الدنا المدروسة دراسة وافية هي الأنواع القاصَّة للرنا والتي تستخدم لكشف مختلف الأيونات الفلزية وتصميم عوامل علاجية. تم تقرير العديد من إنزيمات الدنا المختصة بالفلزات منها: إنزيم الدنا GR-5 (المختص بالرصاص)،[218] إنزيمات الدنا CA1-3 (المختصة بالنحاس)،[220] إنزيم الدنا 39E (المختص باليورانيل) وإنزيم الدنا NaA43 (المختص بالصوديوم).[221] إنزيم الدنا NaA43 الذي أشير إلى أنه يختار أيونات الصوديوم 10.000 مرة عن الآيونات الفلزية الأخرى، استُخدم لإنشاء مستشعرات صوديوم حقيقية في خلايا حية.

قراءة البصمة الوراثية في المختبر.

يمكن لعلماء الأدلة الجنائية استخدام الدنا الموجود في الدم، المني، الجلد، اللعاب والشعر المعثور عليه في مسرح الجريمة لتحديد دنا مطابق لفرد ما، كالجاني مثلا،[222] ويطلق على هذه العملية البصمة الوراثية. يُقارن في البصمة الوراثية تسلسل أطوال مختلفة متكررة من الدنا مثل التكرارات المترادفة القصيرة ودنا الساتل الصغير بين الناس. هذه الطريقة في العادة موثوق بها جدا لتحديد دنا متطابق،[223] لكن يمكن أن يكون التحديد معقدا إذا كان المسرح ملوثا بدنا من عدة أشخاص.[224] تم ابكتار تقنية البصمة الوراثية سنة 1984 بواسطة عالم الوراثة البريطاني أليك جيفريز،[225] واستخدمت أول مرة في علم الأدلة الجنائي لإدانة كولين بيتشفورك سنة 1988 في قضية قتيلتي إندربي.[226]

تُستخدم البصمة الوراثية كذلك في اختبار الأبوة بالدنا لتحديد إن كان أحدهم الوالد أو الجد البيولوجي للطفل مع احتمال تطابق تصل نسبته إلى 99.99% حين يكون الوالد المفترض قريبا بيولوجيا للطفل. وتُستخدم لذلك طرق كشف التسلسل العادية بعد الولادة، في حين تستخدم طرق جديدة لاختبار الأبوة حين تكون الأم مازالت حاملا.[227]

خرائطية الصبغي X: تحديد الجينوم البشري ساهم في تطور المعلوماتية الحيوية وفي المقابل استفاد من وسائلها.

تتضمن المعلوماتية الحيوية تطوير تقنياتٍ لتخزين وتنقيب وبحث ومعالجة البيانات البيولوجية بما في ذلك بيانات تسلسل الأحماض النووية، وقاد ذلك إلى تطورات مستخدمة بشكل واسع في علم الحاسوب خاصة في خوارزميات البحث التسلسلية، تعلم الآلة ونظرية قواعد البيانات،[228] تم تطوير البحث التسلسلي أو خوارزميات التطابق التي تعثر على وجود تسلسل حروف معين داخل تسلسل حروف أكبر خصيصا للبحث عن تسلسلات نوكليوتيدات معينة.[229]

يمكن أن يتم صف تسلسل دنا مع تسلسل دنا آخر لتحديد التسلسللات المتماثلة وتعيين مواضع الطفرات التي تجعلهما مختلفين، تُستخدم هذه التقنيات وخاصة تقنية تراصف التسلسلات المتعدد في دراسة العلاقات في علم الوراثة العرقي ووظيفة البروتين.[230] مجموعات البيانات التي تمثل تسلسلات جينومات كاملة مثل تلك الناتجة عن مشروع الجينوم البشري يصعب استخدامها من دون حاشية شرح لتحديد أماكن الجينات والعناصر المنظِّمة في كل صبغي، مناطق الدنا التي لديها الخصائص النمطية المتعلقة بجينات البروتين -أو الرنا- يمكن تحديدها بخوارزميات البحث عن الجين، وهو ما يسمح للباحثين بتوقع وجود نواتج جينية معينة ووظائفها المحتملة في الكائنات قبل حتى استخلاصها تجريبيا ودراستها.[231] كما يمكن مقارنة جينومات بأكملها وهو ما يسمح بتسليط الضوء على تاريخ تطور بعض الكائنات وفحص أحداث تطورية معقدة.

بنية الدنا الموضحة على اليسار (رسم تخطيطي) ستجمِّع نفسها ذاتيا إلى البنية المصورة بمجهر القوة الذرية يمينا، تقنية الدنا النانوية هو مجال يسعى لتصميم هياكل بأبعاد النانو باستخدام خصائص التعرف الجزيئي لجزيئات الدنا.

تَستخدِم تقنيات الدنا النانوية خصائص التعرف الجزيئي الفريدة للدنا والأحماض النووية الأخرى لإنشاء مركبات دنا متفرعة ذاتية التجميع لها خصائص مفيدة،[232] ومنه فإن الدنا يُستخدم كمادة هيكلية بدلا من أن يُستخدم كحامل للمعلومة البيولوجية، وقاد هذا إلى إنشاء شبكيات دورية ثنائية الأبعاد باستخدام طريقة التجميع بالوحدات الأساسية (tile-based) وكذلك طريقة أوريغامي الدنا وإنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد على شكل متعدد سطوح.[233] كما تم إنجاز أدوات نانومترية وخوارزمية التجميع الذاتي.[234] وتم استخدام هياكل الدنا هذه كقالب تُرتَّبُ فيه جزيئات أخرى مثل الجسيمات النانوية من الذهب وبروتينات الستربتافيدين [235] وهي بروتينات تشكل مركبات مع البيوتين.

قادت البحوث في مجال الإلكترونيات الجزيئية المبنية على الدنا شركة مايكروسوفت لتطوير لغة برمجة تسمى إزاحة سلسلة الدنا DNA Strand Displacement (DSD) [236] وتم استخدامها في تجسيد بعض المكونات النانوإلكترونية الجزيئية المبنية على الدنا.[237][238]

لأن الطفرات تتراكم في الدنا مع مرور الوقت وبعدها يتم توريثها للأجيال التالية، فإن الدنا يحتوي على معلومات تاريخية وبمقارنة تسلسلات الدنا المختلفة يمكن لعلماء الوراثة استنتاج التاريخ التطوري للكائنات وهذا ما يعرف بعلم الوراثة العرقي.[239] يشكل هذا المجال -بوضع علم الوراثة في خدمة علم أحياء الحفريات- أداة قوية في علم الأحياء التطوري، إذا تمت مقارنة سلاسل الدنا داخل نفس النوع يمكن لعلماء الوراثيات السكانية معرفة تاريخ شعوب معينة، ويمكن استخدام ذلك في دراسات تترواح بين علم الوراثة البيئي إلى الأنثروبولوجيا.

تُستخدم دراسة دنا الميتوكندريا داخل التجمعات البشرية لتحديد هجرات الإنسان العاقل، على سبيل المثال تمت دراسة النمط الجماعي X في علم الديموغرافيا القديمة لتقييم القرابة المحتملة لأسلاف الهنود بالشعوب الأوربية التي تعود أصولها إلى العصر الحجري القديم العلوي.[240]

• 
  شجرة تطور السلالات توضح نطاقات الأحياء الثلاثة: حقيقيات النوى بالأحمر، العتائق بالأخضر والبكتيريا بالأزرق.[241]

يُستخدَم الدنا بواسطة الكائنات الحية لتخزين معلوماتهم الوراثية ولهذا تقوم مجموعات من الباحثين بدراسته كوسيلة تخزين للبيانات الرقمية تماما مثل وسائط التخزين الحاسوبية وذلك لأن لدى الأحماض النووية كثافة تخزين نظرية تفوق بشكل كبير وسائل التخزين التقلدية وتملك عمرا فتراضيا أكبر بكثير كذلك.

نظريا يمكن تشفير حتى 2 بت من المعلومات في كل نوكليوتيد وهذا يسمح بقدرة تخزين تصل إلى 455 مليون تيرابايت لكل غرام واحد من الدنا منفرد السلسلة، حيث تبقى صالحة للقراءة لعدة ألفيات حتى في ظروف تخزين غير مثالية،[242] تم اقتراح تقنية تخزين تصل إلى 215 ألف تيرابايت لكل غرام من الدنا سنة 2017 [243] بالمقارنة مع سعة قرص دي في دي بوجهي تخزين ذو طبقتين والتي بالكاد تصل 17 جيغابايت لوزن نموذجي يصل 16غ نجد أن قدرته على التخزين أقل 400 مليار مرة لكل غرام. قامت مجموعة باحثين من معهد المعلوماتية الحيوية الأوروبي سنة 2012 بتشفير 757 كيلوبايت من البيانات في 17 940 195 نوكليوتيدة [244] وهو ما يعادل كثافة تخزين تصل حوالي 2200 تيرابايت لكل غرام من الدنا.[245] ومن جانبه؛ نشر فريق سويسري في فبراير 2015 دراسة توضح متانة الدنا المغلف بالسيليكا كداعم مستدام للمعلومة.[246]

من جانب آخر تعمل فرق أخرى على إمكانية تخزين المعلومات مباشرة في الخلايا الحية، لغايات مختلفة على سبيل المثال لتشفير عدّادات في دنا الخلية لتحديد عدد الانقسامات أو التمايزات وهو أمر يسمح بإيجاد تطبيقات له في مجال البحوثات حول السرطان والشيخوخة.[247]

• جيمس واتسون، كيف اكتشفنا الدنا
• مختبر الدنا، يوضح كيفية استخلاص الدنا من القمح بوسائل وأدوات متوفرة.

• بوابة الكيمياء
• بوابة الكيمياء الحيوية
• بوابة علم الأحياء
• بوابة علم الأحياء الخلوي والجزيئي