Z-DNA

Z-DNA  - en af ​​de mange mulige strukturer af DNA -dobbelthelixen , er en venstrehåndet dobbelthelix (i modsætning til højrehåndet, som den mest almindelige form for B-DNA ). Z-DNA er en af ​​de tre biologisk aktive dobbelthelixstrukturer af DNA sammen med A-DNA og B-DNA, selvom dets nøjagtige funktioner endnu ikke er blevet bestemt [1] .

Studiehistorie

Venstrehåndet DNA blev først opdaget af Robert Wells og kolleger, mens de studerede en polymer dannet af gentagelser af inosin - cytosin [2] . De observerede "omvendt" cirkulær dikroisme i sådan DNA, hvorfra de korrekt konkluderede, at dens kæder viklede sig om hinanden i retning mod venstre. Efterfølgende blev krystalstrukturen af ​​Z-DNA offentliggjort, hvor røntgendiffraktionsanalyse afslørede, at det er det første enkeltkrystal-DNA-fragment ( selv - komplementær DNA-hexamer d(CG) 3 ). Det blev fundet, at Z-DNA er en venstrehåndet DNA-dobbelthelix af to antiparallelle strenge forbundet med bindinger mellem par af nitrogenholdige baser . Dette arbejde blev udført af Andrew Wang  , Alexander Rich og deres samarbejdspartnere ved Massachusetts Institute of Technology [3] .

I 1970 blev det vist, at den mest almindelige B-form af DNA kan omdannes til Z-formen. I dette eksperiment blev det påvist, at den cirkulære dikroisme af polymeren (dG-dC) i ultraviolette stråler ved i en 4M NaCl-opløsning ændrede sig til det stik modsatte [4] . Det faktum, at B-formen under denne overgang gik over i Z-formen, blev bekræftet af resultaterne af Raman-spektroskopi [5] . Krystallisation af B- og Z-DNA-forbindelsen udført i 2005 [6] har givet en bedre forståelse af den potentielle rolle, som Z-DNA spiller i cellen . Hvor der er segmenter af Z-DNA-former, skal der også være B-Z-forbindelser i deres ender, der forbinder Z-formen med B-formen, der findes i resten af ​​genomet .

I 2007 blev RNA -versionen af ​​Z-DNA beskrevet som en transformeret form af den dobbelte højrehåndede A-RNA helix til en venstrehåndet helix [7] . Overgangen fra A-RNA til Z-RNA blev imidlertid allerede beskrevet i 1984 [8] .

Struktur

Z-DNA adskiller sig væsentligt fra højrehåndede former. Z-DNA er venstrehåndet og har en primær struktur , der gentages hvert 2. basepar. Der er 12 basepar pr. omdrejning af helixen. I modsætning til A- og B-DNA er den store rille i Z-DNA dårligt skelnelig, den lille rille er smal og dyb [9] . Generelt er strukturen af ​​Z-DNA energetisk ugunstig, selvom visse forhold kan aktivere dets dannelse, såsom: alternerende purin - pyrimidinsekvenser (især poly(dGC) 2 ), negativ supercoiling af DNA , højt saltindhold og nogle kationer ( alt ved fysiologisk temperatur  - 37 °C og pH 7,3-7,4). Z-DNA kan kombineres med B-DNA i en struktur, der fører til forskydning af basepar (se fig.) [10] .

Et andet træk ved Z-DNA er vekslen af ​​konformationer af nukleotidrester . Deoxycytidin er i standardkonformationen: sukkeret er i C2'-endo-konformationen (se figur), og basen  er i anti - konformationen (det vil sige, at basen er vendt i retning modsat hydroxylgruppen ved den femte carbonatom ; baser i polynukleotidkæden er i denne position [11] ). I deoxyguanosin er sukkeret i C3'-endo-konformationen , og basen har en ekstremt atypisk syn - konformation [12] .

Basestacking i Z-DNA har nye egenskaber, der er unikke for denne form. Der eksisterer således kun stablingsinteraktioner mellem cytosinrester af modsatte kæder, mens guaninrester slet ikke interagerer med hinanden [1] .

Fosfater i Z-DNA er ikke ækvivalente med hinanden og er i forskellige afstande fra helixens akse; for guanin-nukleotider er denne afstand 0,62 nm , og for cytosin-nukleotider er den 0,76 nm. På samme tid "ser" nabosukker i modsatte retninger, og på grund af dette bliver linjen, der successivt forbinder fosforatomerne i kæden, zigzag (deraf navnet Z-DNA) [1] .

Strukturen af ​​Z-DNA er svær at studere, fordi den næppe eksisterer i en stabil dobbelthelixform. Tværtimod er den venstrehåndede Z-DNA-helix en midlertidig struktur, der opstår som følge af biologisk aktivitet og hurtigt forsvinder [13] .

Overgang fra B-DNA til Z-DNA

Som allerede nævnt er B- og Z-former i stand til at passere ind i hinanden. Dette sker, når opløsningens ionstyrke ændres eller koncentrationen af ​​kationer , der neutraliserer den negative ladning af fosfodiesterskelettet. Samtidig er der ikke behov for kædeadskillelse til overgangen, den sættes i gang ved brydning af hydrogenbindinger i flere basepar, hvorefter guanin fikseres i syn -konformationen, brintbindinger genoprettes, og baserne igen danner Watson-Crick-par . Overgangsområdet bevæger sig i en spiral i form af en løkke [1] .

Z-DNA struktur forudsigelse

Det er i øjeblikket muligt at forudsige en plausibel DNA-sekvens i form af Z-DNA. En algoritme til at forudsige DNA's tilbøjelighed til at omarrangere fra B-form til Z-form, ZHunt , blev skrevet i 1984 af Dr. P. Shing Ho fra Massachusetts Institute of Technology [14] . Senere blev denne algoritme udviklet af Tracey Camp og kolleger for at bestemme stederne for Z-DNA-dannelse i hele genomet [15] .

ZHunt- algoritmen er tilgængelig på Z-Hunt online .

Biologisk betydning

Z-DNA er blevet fundet i repræsentanter for alle tre livsdomæner : archaea (især haloarchaea [16] ), bakterier og eukaryoter [9] . Indtil videre er klare biologiske funktioner af Z-DNA ikke blevet bestemt, men det er formodentlig involveret i reguleringen af ​​genekspression på transkriptionsniveauet . Det er faktisk pålideligt kendt, at sekvensen dm5 -dG, som under fysiologiske forhold er i form af Z-DNA, er forbundet med reguleringen af ​​genekspression i eukaryoter. Denne regulering kan medieres af supercoiling , binding til Z-DNA-specifikke proteiner , visse kationer såsom spermidin og deoxycytidin - methylering [17] .

Antagelsen om, at Z-DNA giver DNA-supercoiling under transkription [6] [18] understøttes af det faktum, at potentialet for dannelse af Z-former findes på steder involveret i aktiv transkription. Et forhold blev vist mellem stederne for Z-DNA-dannelse i generne af det 22. humane kromosom og de transkriptionsstartsteder, der er kendt for dem [15] .

Z-DNA dannes efter starten af ​​transkriptionen. Det første domæne , der binder til Z-DNA og har en høj affinitet for det, blev fundet i enzymet ADAR1 (RNA-specifik adenosindeaminase) [19] [20] (dette domæne blev kaldt Z-alfa-domænet ). Krystallografiske og nuklear magnetiske resonansundersøgelser har bekræftet, at dette domæne binder Z-DNA uanset dets nukleotidsekvens [21] [22] [23] . Lignende regioner er blevet fundet i nogle andre proteiner, der er homologe med ADAR1 [20] . Identifikationen af ​​Z-alfa-domænet dannede grundlaget for karakteriseringen af ​​Z-RNA og associationen af ​​B- med Z-DNA. Undersøgelser har vist, at ADAR1-domænet, som binder Z-DNA, tillader dette enzym at lokalisere sig i aktive transkriptionssteder, hvor det udfører sin funktion - ændrer sekvensen af ​​det nydannede RNA [24] [25] .

I 2003 observerede MIT - biofysiker Alexander Rich, at poxvirus - virulensfaktoren , kaldet E3L, har et Z-alfa-relateret sted, der ligner det pattedyrs Z-DNA-bindende protein [26] [27] . I 2005 udforskede Rich og sine kolleger konsekvenserne af E3L for poxvirus. Når gener udtrykkes, forårsager E3L en stigning i transskriptionen af ​​flere gener i værtscellen fra 5 til 10 gange, og disse gener blokerer cellernes evne til selvdestruktion ( apoptose ) som en beskyttende reaktion mod infektion .

Rich foreslog, at Z-DNA er essentielt for transkription, og E3L stabiliserer Z-DNA, hvilket øger ekspressionen af ​​anti-apoptotiske gener. Han fremsatte også ideen om, at små molekyler kan binde til E3L, hvilket forhindrer dette protein i at binde sig til Z-DNA og i sidste ende forstyrre ekspressionen af ​​anti-apoptotiske gener. Dette kunne potentielt bruges som grundlag for en metode til beskyttelse mod kopper , forårsaget af koppevirus.

Ved hjælp af anti-Z-DNA- antistoffer er denne form for DNA blevet fundet i polytenkromosomernes interdisc-regioner . Faktum er, at kun B-DNA har nukleosomer , og overgangen til Z-formen ødelægger strukturen af ​​nukleosomet og derfor kromatin bestående af nukleosomer . I denne forbindelse antages det, at Z-formen kan udføre en eller anden form for regulerende rolle, især da B → Z-overgangen er reversibel [1] .

Det er blevet fastslået, at den toksiske virkning af ethidiumbromid på trypanosomer er forbundet med overgangen af ​​deres kinetoplast -DNA til Z-formen. Denne effekt skyldes interkalationen EtBr i DNA, på grund af hvilken DNA mister sin native struktur, afvikles, transformeres til Z-formen og på grund af dette bliver ude af stand til replikation [28] .

Sammenligning af de geometriske parametre for nogle former for DNA

Noter

1. ↑ 1 2 3 4 5 Konichev, Sevastyanova, 2012 , s. 93.
2. ↑ Mitsui et al. Fysiske og enzymatiske undersøgelser af poly d(IC)-poly d(IC), et usædvanligt dobbeltspiralformet DNA  (engelsk)  // Nature (London): tidsskrift. - 1970. - Bd. 228 , nr. 5277 . - S. 1166-1169 . — PMID 4321098 .
3. ↑ Wang AHJ, Quigley GJ, Kolpak FJ, Crawford JL, van Boom JH, Van der Marel G., Rich A. Molecular structure of a left-handed double spirical DNA fragment at atomic resolution  (Eng.)  // Nature (London) : journal. - 1979. - Bd. 282 , nr. 5740 . - S. 680-686 . - doi : 10.1038/282680a0 . — . — PMID 514347 .
4. ↑ Pohl FM, Jovin TM Saltinduceret kooperativ konformationel ændring af et syntetisk DNA: ligevægt og kinetiske undersøgelser med poly(dG-dC  )  // J. Mol. Biol. : journal. - 1972. - Bd. 67 . - s. 375-396 . - doi : 10.1016/0022-2836(72)90457-3 . — PMID 5045303 .
5. ↑ Thamann TJ, Lord RC, Wang AHJ, Rich A. Højsaltform af poly(dG-dC)•poly(dG-dC) er venstrehåndet Z-DNA: ramanspektre af krystaller og  opløsninger  Nucl// Acids Res. : journal. - 1981. - Bd. 9 . - P. 5443-5457 . doi : 10.1093 / nar/9.20.5443 . — PMID 7301594 .
6. ↑ 1 2 Ha SC, Lowenhaupt K., Rich A., Kim YG, Kim KK Krystalstruktur af en forbindelse mellem B-DNA og Z-DNA afslører to ekstruderede baser  //  Nature : journal. - 2005. - Bd. 437 , nr. 7062 . - S. 1183-1186 . - doi : 10.1038/nature04088 . — . — PMID 16237447 .
7. ↑ Placido D., Brown BA 2nd, Lowenhaupt K., Rich A., Athanasiadis A. En venstrehåndet RNA-dobbelthelix bundet af Zalpha-domænet af det RNA-redigerende enzym ADAR1  //  Structure : journal. - 2007. - Bd. 15 , nr. 4 . - S. 395-404 . - doi : 10.1016/j.str.2007.03.001 . — PMID 17437712 .
8. ↑ Hall K., Cruz P., Tinoco I Jr, Jovin TM, van de Sande JH 'Z-RNA'--en venstrehåndet RNA-dobbelthelix  (engelsk)  // Nature. - 1984. - Oktober ( bind 311 , nr. 5986 ). - S. 584-586 . - doi : 10.1038/311584a0 . — . — PMID 6482970 .
9. ↑ 12 Nelson , Cox, 2008 , s. 281.
10. ↑ de Rosa M., de Sanctis D., Rosario AL, Archer M., Rich A., Athanasiadis A., Carrondo MA Krystalstruktur af en forbindelse mellem to Z-DNA-helixer   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the National Academy of Sciences Amerikas Forenede Stater  : tidsskrift. - 2010. - 18. maj ( bind 107 , nr. 20 ). - P. 9088-9092 . - doi : 10.1073/pnas.1003182107 . - . — PMID 20439751 .
11. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , s. 82.
12. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , s. 92.
13. ↑ Zhang H., Yu H., Ren J., Qu X. Reversibel B/Z-DNA-overgang under lav salt-tilstand og ikke-B-form polydApolydT-selektivitet af et cuban-lignende europium-L-asparaginsyrekompleks   // Biofysisk Tidsskrift : journal. - 2006. - Bd. 90 , nr. 9 . - s. 3203-3207 . - doi : 10.1529/biophysj.105.078402 . — . — PMID 16473901 . Arkiveret fra originalen den 12. oktober 2008.
14. ↑ Ho PS, Ellison MJ, Quigley GJ, Rich A. En computerstøttet termodynamisk tilgang til at forudsige dannelsen af ​​Z-DNA i naturligt forekommende sekvenser  // EMBO  Journal : journal. - 1986. - Bd. 5 , nr. 10 . - P. 2737-2744 . — PMID 3780676 .
15. ↑ 1 2 Champ PC, Maurice S., Vargason JM, Camp T., Ho PS Fordelinger af Z-DNA og nuklear faktor I i humant kromosom 22: en model for koblet transkriptionel regulering  // Nucleic Acids Res  . : journal. - 2004. - Bd. 32 , nr. 22 . - P. 6501-6510 . doi : 10.1093 / nar/gkh988 . — PMID 15598822 .
16. ↑ Paul Bloom. Archaea: Gamle mikrober, ekstreme miljøer og livets oprindelse. - Academic Press, 2001. - Vol. 50. - S. 206. - (Fremskridt i anvendt mikrobiologi).
17. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , s. 93-94.
18. ↑ Rich A., Zhang S. Tidslinje: Z-DNA: den lange vej til biologisk funktion  //  Nature Review Genetics: tidsskrift. - 2003. - Bd. 4 , nr. 7 . - s. 566-572 . doi : 10.1038 / nrg1115 . — PMID 12838348 .
19. ↑ Herbert A., Rich A. En metode til at identificere og karakterisere Z-DNA-bindende proteiner ved hjælp af et lineært oligodeoxynukleotid   // Nucleic Acids Res : journal. - 1993. - Bd. 21 , nr. 11 . - P. 2669-2672 . - doi : 10.1093/nar/21.11.2669 . — PMID 8332463 .
20. ↑ 1 2 Herbert A., Alfken J., Kim YG, Mian IS, Nishikura K., Rich A. Et Z-DNA-bindingsdomæne til stede i det humane redigeringsenzym, dobbeltstrenget RNA- adenosin-  Proceedings//deaminase   : tidsskrift. - 1997. - Bd. 94 , nr. 16 . - P. 8421-8426 . - doi : 10.1073/pnas.94.16.8421 . - . — PMID 9237992 .
21. ↑ Herbert A., Schade M., Lowenhaupt K., Alfken J., Schwartz T., Shlyakhtenko LS, Lyubchenko YL, Rich A. Zalpha-domænet fra human ADAR1 binder sig til Z-DNA-konformeren af ​​mange forskellige sekvenser  . )  / / Nucleic Acids Res : journal. - 1998. - Bd. 26 , nr. 15 . - P. 2669-2672 . doi : 10.1093 / nar/26.15.3486 . — PMID 9671809 .
22. ↑ Schwartz T., Rould MA, Lowenhaupt K., Herbert A., Rich A. Krystalstruktur af Zalpha-domænet af det humane redigeringsenzym ADAR1 bundet til venstrehåndet Z-DNA  //  Science : journal. - 1999. - Bd. 284 , nr. 5421 . - S. 1841-1845 . - doi : 10.1126/science.284.5421.1841 . — PMID 10364558 .
23. ↑ Schade M., Turner CJ, Kühne R., Schmieder P., Lowenhaupt K., Herbert A., Rich A., Oschkinat H. Opløsningsstrukturen af ​​Zalpha-domænet af det humane RNA-redigeringsenzym ADAR1 afslører en præpositioneret bindingsoverflade for Z-DNA  (engelsk)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : tidsskrift. - 1999. - Bd. 96 , nr. 22 . - P. 2465-2470 . - doi : 10.1073/pnas.96.22.12465 . - . — PMID 10535945 .
24. ↑ Herbert A., Rich A. Rollen af ​​bindingsdomæner for dsRNA og Z-DNA i in vivo-redigering af minimale substrater af ADAR1   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 2001. - Bd. 98 , nr. 21 . - S. 12132-12137 . - doi : 10.1073/pnas.211419898 . - . — PMID 11593027 .
25. ↑ Halber D. Forskere observerer biologiske aktiviteter af 'venstrehåndet' DNA . MIT News Office (11. september 1999). Dato for adgang: 29. september 2008. Arkiveret fra originalen 16. februar 2013. (ubestemt)
26. ↑ Kim YG, Muralinath M., Brandt T., Pearcy M., Hauns K., Lowenhaupt K., Jacobs BL, Rich A.  A role for Z-DNA binding in vaccinia virus pathogenesis  // Proceedings of the National Academy of Sciences af Amerikas Forenede Stater  : tidsskrift. - 2003. - Bd. 100 , nej. 12 . - P. 6974-6979 . - doi : 10.1073/pnas.0431131100 . - . — PMID 12777633 .
27. ↑ Kim YG, Lowenhaupt K., Oh DB, Kim KK, Rich A. Evidens for, at vaccinia virulensfaktor E3L binder til Z-DNA in vivo: Implikationer for udvikling af en terapi for poxvirusinfektion   // Proceedings of the National Academy of Sciences of Amerikas Forenede Stater  : tidsskrift. - 2004. - Bd. 101 , nr. 6 . - S. 1514-1518 . - doi : 10.1073/pnas.0308260100 . - . — PMID 14757814 .
28. ↑ Roy Chowdhury, Arnab; Bakshi, Rahul; Wang, Jianyang; Yildirir, Gokben; Liu, Beiyu; Pappas-Brown, Valeria; Tolun, Gokhan; Griffith, Jack D.; Shapiro, Theresa A.; Jensen, Robert E.; Englund, Paul T.; Ullu, Elisabetta. The Killing of African Trypanosomes af Ethidium Bromide  (engelsk)  // PLoS Pathogens  : journal. - 2010. - 16. december ( bind 6 , nr. 12 ). — P. e1001226 . - doi : 10.1371/journal.ppat.1001226 .
29. ↑ Sinden, Richard R. DNA-struktur og funktion  (ubestemt) . — 1. - Academic Press , 1994. - S. 398. - ISBN 0-126-45750-6 .
30. ↑ Rich A., Norheim A., Wang AHJ. Kemien og biologien af ​​venstrehåndet Z-DNA  (engelsk)  // Årlig gennemgang af biokemi : journal. - 1984. - Bd. 53 , nr. 1 . - S. 791-846 . - doi : 10.1146/annurev.bi.53.070184.004043 . — PMID 6383204 .
31. ↑ Ho PS Ikke-B-DNA-strukturen af ​​d(CA/TG)n adskiller sig ikke fra den for Z-DNA   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 1994. - 27. september ( bind 91 , nr. 20 ). - P. 9549-9553 . - doi : 10.1073/pnas.91.20.9549 . - . — PMID 7937803 .

Litteratur

• Konichev A.S., Sevastyanova G.A. Molekylærbiologi. - Publishing Center "Academy", 2012. - 400 s. — ISBN 978-5-7695-9147-1 .
• David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehningers principper for biokemi. — Femte Udgave. — New York: WH Freeman and company, 2008. — 1158 s. - ISBN 978-0-7167-7108-1 .

Ordbøger og encyklopædier	Britannica (online)