Z-ДНК

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Структура Z-ДНК

Z-ДНК — одна из многих возможных структур двойной спирали ДНК, представляет собой левозакрученную двойную спираль (в отличие от правозакрученной, как наиболее распространённая форма В-ДНК[en]). Z-ДНК является одной из трёх биологически активных двойных спиральных структур ДНК, наряду с А-ДНК и В-ДНК, хотя точные её функции к настоящему моменту не определены[1].

История изучения[править | править вики-текст]

Левозакрученная ДНК впервые была открыта Робертом Уэллсом и коллегами при изучении полимера, образованного повторениями инозин-цитозина[2]. Они наблюдали «обратный» круговой дихроизм[en] в таких ДНК, из чего сделали верный вывод, что её цепи обвивают друг друга в направлении налево. Впоследствии была опубликована кристаллическая структура Z-ДНК, где в ходе рентгеноструктурного анализа выяснилось, что она является первым однокристаллическим фрагментом ДНК (самокомплементарный гексамер ДНК d(CG)3). Было установлено, что Z-ДНК представляет собой левозакрученную двойную спираль ДНК из двух антипараллельных цепей, соединённых связями между парами азотистых оснований. Эти работы были проведены Эндрю Уонг (англ. Andrew Wang), Александром Ричем (англ. Alexander Rich) и их сотрудниками в Массачусетском технологическом институте[3].

В 1970 году было показано, что наиболее распространённая B-форма ДНК может переходить в Z-форму. В этом эксперименте было продемонстрировано, что круговой дихроизм полимера (dG-dC) в ультрафиолетовых лучах при в растворе 4М NaCl менялся на строго противоположный[4]. То, что при этом переходе В-форма перешла в Z-форму, было подтверждено результатами рамановской спектроскопии[5]. Кристаллизация соединения В- и Z-ДНК, проведённая в 2005 году[6], дала лучшее понимание потенциальной роли, которую Z-ДНК играет в клетке. Везде, где есть сегменты форм Z-ДНК, должны быть также В-Z-соединения на их концах, связывающие Z-форму с B-формой, встречающейся во всём остальном геноме.

В 2007 году была описана РНК-версия Z-ДНК как трансформированная форма двойной правозакрученной спирали A-РНК в левозакрученную спираль[7]. Переход от А-РНК в Z-РНК, тем не менее, был описан уже в 1984 году[8].

Структура[править | править вики-текст]

Соединение B- и Z-ДНК. Обратите внимание на два вытесненных основания, помеченных ярким цветом

Z-ДНК значительно отличается от правозакрученных форм. Z-ДНК — левозакрученная и имеет первичную структуру, повторяющуюся через каждые 2 пары оснований. На один поворот спирали приходится 12 пар оснований. В отличие от А- и В-ДНК, в Z-ДНК большая бороздка слабо различима, малая бороздка узкая и глубокая[9]. Вообще, структура Z-ДНК энергетически невыгодна, хотя некоторые условия могут активизировать её формирования, как то: чередующиеся пуриново-пиримидиновые последовательности (особенно поли(dGC)2), негативная сверхспирализация ДНК, высокое содержание солей и некоторые катионы (все при физиологической температуре — 37 °C и pH 7,3—7,4). Z-ДНК может соединяться с B-ДНК в структуру, приводящую к вытеснению пар оснований (см. рис.)[10].

C2'-эндо- и C3'-эндоконформации сахаров

Ещё одной особенностью Z-ДНК является чередование конформаций нуклеотидных остатков. Дезоксицитидин находится в стандартной конформации: сахар в С2'-эндоконформации (см. рис.), а основание — в анти-конформации (то есть основание повёрнуто в сторону, противоположную гидроксильной группе при пятом атоме углерода; в таком положении находятся основания в полинуклеотидной цепи[11]). У дезоксигуанозина сахар находится в С3'-эндоконформации, а основание имеет крайне нетипичную син-конформацию[12].

Стэкинг оснований в Z-ДНК обладает новыми, присущими лишь этой форме свойствами. Так, стэкинговые взаимодействия имеются только между остатками цитозина противоположных цепей, а остатки гуанина вообще не взаимодействуют друг с другом[1].

Фосфаты в Z-ДНК не эквивалетны друг другу и удалены на различные расстояния от оси спирали; для гуаниновых нуклеотидов это расстояние равно 0,62 нм, а для цитозиновых — 0,76 нм. При этом соседние сахара «смотрят» в противоположные стороны, и из-за этого линия, последовательно соединяющая атомы фосфора в цепи, становится зигзагообразной (отсюда название — Z-ДНК)[1].

Структура Z-ДНК сложна для изучения, потому что она практически не существует в стабильной форме двойной спирали. Напротив, левозакрученная спираль Z-ДНК является временной структурой, появляющейся в результате биологической активности и быстро исчезающей[13].

Оси спирали A-, B- и Z-ДНК. Конформации сахаров и оснований указаны для Z-ДНК

Переход из В-ДНК в Z-ДНК[править | править вики-текст]

Как уже говорилось, В- и Z-формы способны переходить друг в друга. Это происходит при изменении ионной силы раствора или концентрации катионов, нейтрализующих отрицательный заряд фосфодиэфирного каркаса. При этом для перехода нет необходимости для расхождения цепей, он инициируется разрывом водородных связей у нескольких пар оснований, после чего гуанин фиксируется в син-конформации, водородные связи восстанавливаются, и основания вновь образуют уотсон-криковские пары. Область перехода движется по спирали в виде петли[1].


Предсказание структуры Z-ДНК[править | править вики-текст]

В настоящий момент возможно предсказать правдоподобную последовательность ДНК, находящейся в форме Z-ДНК. Алгоритм для предсказания склонности ДНК перестраиваться из В-формы в Z-форму, ZHunt, был написан в 1984 году д-ром P. Shing Ho из Массачусеткого технологического института[14]. Позже этот алгоритм был развит Трейси Кэмп и коллегами для определения мест образования Z-ДНК во всём геноме[15].

Алгоритм ZHunt доступен по ссылке Z-Hunt online.

Биологическое значение[править | править вики-текст]

Z-ДНК обнаружены у представителей всех трёх доменов жизни: архей (в частности, у галоархей[16]), бактерий и эукариот[9]. Пока чётких биологических функций Z-ДНК не определено, однако предположительно она участвует в регуляции экспрессии генов на уровне транскрипции. Действительно, достоверно известно, что с регуляцией экспрессии генов у эукариот связана последовательнось dm5-dG, которая в физиологических условиях находится в форме Z-ДНК. Эта регуляция может быть опосредована сверхспирализацией, связыванием с белками, специфическим к Z-ДНК, определёнными катионами типа спермидина[en] и метилированием дезоксицитидина[17].

Предположение о том, что Z-ДНК обеспечивает сверхспирализацию ДНК во время транскрипции[6][18], подтверждается тем, что потенциал к образованию Z-форм обнаруживается на участках, задействованных в активной транскрипции. Была показана связь мест образования Z-ДНК в генах 22-ой хромосомы человека и известных для них сайтов начала транскрипции[15].

Z-ДНК образуется после начала транскрипции. Первый домен, связывающийся с Z-ДНК и имеющий к ней большое сродство, был обнаружен у фермента ADAR1[en] (РНК-специфической аденозиндеаминазы)[19][20] (этот домен получил название Z-альфа домена). Кристаллографические исследования и исследования, проведённые методом ядерного магнитного резонанса, подтвердили, что этот домен связывает Z-ДНК вне зависимости от её последовательности нуклеотидов[21][22][23]. Схожие участки были обнаружены в некоторых других белках, гомологичных ADAR1[20]. Идентификация Z-альфа домена легла в основу характеризации Z-РНК и соединения B- с Z-ДНК. Исследования показали, что домен ADAR1, связывающий Z-ДНК, позволяет этому ферменту локализоваться в местах активной транскрипции, где он и выполняет свою функцию — изменяет последовательность новообразованной РНК[24][25].

В 2003 году биофизик Александр Рич из Массачусетского технологического института заметил, что фактор вирулентности поксвируса, называемый E3L, имеет Z-альфа-родственный участок, схожий с белком млекопитающих, связывающим Z-ДНК[26][27]. В 2005 году Рич и коллеги выяснили, какое значение E3L имеет для поксвируса. При экспрессии генов E3L вызывает повышение транскрипции нескольких генов хозяйской клетки от 5 до 10 раз, причём эти гены блокируют способность клеток к саморазрушению (апоптозу) как к защитной реакции против инфекции.

Рич предположил, что Z-ДНК необходима для транскрипции и E3L стабилизирует Z-ДНК, таким образом увеличивая экспрессию антиапоптических генов. Он также выдвинул идею, что малые молекулы[en] могут связываться с E3L, препятствуя соединению этого белка с Z-ДНК, и в итоге мешают экспрессии антиапоптозных генов. Потенциально это может быть использовано в основе метода защиты от оспы, вызываемой поксвирусами.

С помощью антител к Z-ДНК эта форма ДНК была обнаружена в междисковых областях политенных хромосом. Дело в том, что нуклеосомы имеются только у В-ДНК, а переход в Z-форму разрушает структуру нуклеосомы и, следовательно, состоящего из нуклеосом хроматина. В связи с этим предполагается, что Z-форма может выполнять какую-то регуляторную роль, тем более, переход В → Z обратим[1].

Установлено, что токсический эффект бромистого этидия на трипаносомы связан с переходом их кинетопластной[en] ДНК в Z-форму. Этот эффект обусловлен интеркаляцией[en] EtBr в ДНК, из-за чего ДНК теряет свою нативную структуру, расплетается, переходит в Z-форму и из-за этого становится неспособной к репликации[28].

Сравнение геометрических параметров некоторых форм ДНК[править | править вики-текст]

Геометрический параметр A-форма B-форма Z-форма
Направление правозакрученная правозакрученная левозакрученная
Единица повтора 1 пара оснований (п. о.) 1 п. о. 2 п. о.
Оборот (в градусах) 32,7° 35,9° 60°/2
Изгиб 11 п. о. 10,5 п. о. 12 п. о.
Расположение п.о.
относительно оси
+19° −1.2° −9°
Подъём вдоль оси 2,3 Å (0,23 нм) 3,32 Å (0,332 нм) 3,8 Å (0,38 нм)
Наклон 28,2 Å (2,82 нм) 33,2 Å (3,32 нм) 45,6 Å (4,56 нм)
Скрученность +18° +16°
Конформация основания анти- анти- C: анти-,
G: син-
Конформация сахара C3'-эндо C2'-эндо C: C2'-эндо,
G: C3'-эндо
Диаметр 23 Å (2,3 нм) 20 Å (2,0 нм) 18 Å (1,8 нм)
Источники:[29][30][31]
Пространственная структура А-, В-[en] и Z-ДНК

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 4 5 Коничев, Севастьянова, 2012, с. 93
  2. Mitsui et al. (1970). «Physical and enzymatic studies on poly d(I-C)-poly d(I-C), an unusual double-helical DNA». Nature (London) 228 (5277): 1166–1169.
  3. Wang AHJ, Quigley GJ, Kolpak FJ, Crawford JL, van Boom JH, Van der Marel G, Rich A (1979). «Molecular structure of a left-handed double helical DNA fragment at atomic resolution». Nature (London) 282 (5740): 680–686. DOI:10.1038/282680a0. PMID 514347. Bibcode:1979Natur.282..680W.
  4. Pohl FM, Jovin TM (1972). «Salt-induced co-operative conformational change of a synthetic DNA: equilibrium and kinetic studies with poly(dG-dC)». J. Mol. Biol. 67: 375-396. DOI:10.1016/0022-2836(72)90457-3. PMID 5045303.
  5. Thamann TJ, Lord RC, Wang AHJ, Rich A (1981). «High salt form of poly(dG-dC)•poly(dG-dC) is left handed Z-DNA: raman spectra of crystals and solutions». Nucl. Acids Res. 9: 5443–5457. DOI:10.1093/nar/9.20.5443. PMID 7301594.
  6. 1 2 Ha SC, Lowenhaupt K, Rich A, Kim YG, Kim KK (2005). «Crystal structure of a junction between B-DNA and Z-DNA reveals two extruded bases». Nature 437 (7062): 1183–1186. DOI:10.1038/nature04088. PMID 16237447. Bibcode:2005Natur.437.1183H.
  7. Placido D, Brown BA 2nd, Lowenhaupt K, Rich A, Athanasiadis A (2007). «A left-handed RNA double helix bound by the Zalpha domain of the RNA-editing enzyme ADAR1». Structure 15 (4): 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 (October 1984). «'Z-RNA'--a left-handed RNA double helix». Nature 311 (5986): 584–586. DOI:10.1038/311584a0. PMID 6482970. Bibcode:1984Natur.311..584H.
  9. 1 2 Nelson, Cox, 2008, p. 281
  10. de Rosa M, de Sanctis D, Rosario AL, Archer M, Rich A, Athanasiadis A, Carrondo MA (2010-05-18). «Crystal structure of a junction between two Z-DNA helices». Proc Natl Acad Sci USA 107 (20): 9088–9092. DOI:10.1073/pnas.1003182107. PMID 20439751. Bibcode:2010PNAS..107.9088D.
  11. Коничев, Севастьянова, 2012, с. 82
  12. Коничев, Севастьянова, 2012, с. 92
  13. Zhang H, Yu H, Ren J, Qu X (2006). «Reversible B/Z-DNA transition under the low salt condition and non-B-form polydApolydT selectivity by a cubane-like europium-L-aspartic acid complex». Biophysical Journal 90 (9): 3203–3207. DOI:10.1529/biophysj.105.078402. PMID 16473901. Bibcode:2006BpJ....90.3203Z.
  14. Ho PS, Ellison MJ, Quigley GJ, Rich A (1986). «A computer aided thermodynamic approach for predicting the formation of Z-DNA in naturally occurring sequences». EMBO Journal 5 (10): 2737–2744. PMID 3780676.
  15. 1 2 Champ PC, Maurice S, Vargason JM, Camp T, Ho PS (2004). «Distributions of Z-DNA and nuclear factor I in human chromosome 22: a model for coupled transcriptional regulation». Nucleic Acids Res. 32 (22): 6501–6510. DOI:10.1093/nar/gkh988. PMID 15598822.
  16. Paul Blum Archaea: Ancient Microbes, Extreme Environments, and the Origin of Life. — Academic Press, 2001. — Vol. 50. — P. 206. — (Advances in Applied Microbiology).
  17. Коничев, Севастьянова, 2012, с. 93—94
  18. Rich A, Zhang S (2003). «Timeline: Z-DNA: the long road to biological function». Nature Review Genetics 4 (7): 566–572. DOI:10.1038/nrg1115. PMID 12838348.
  19. Herbert A, Rich A (1993). «A method to identify and characterize Z-DNA binding proteins using a linear oligodeoxynucleotide». Nucleic Acids Res 21 (11): 2669–72. DOI:10.1093/nar/21.11.2669. PMID 8332463.
  20. 1 2 Herbert A, Alfken J, Kim YG, Mian IS, Nishikura K, Rich A (1997). «A Z-DNA binding domain present in the human editing enzyme, double-stranded RNA adenosine deaminase.». Proc Natl Acad Sci USA 94 (16): 8421–6. DOI:10.1073/pnas.94.16.8421. PMID 9237992. Bibcode:1997PNAS...94.8421H.
  21. Herbert A, Schade M, Lowenhaupt K, Alfken J, Schwartz T, Shlyakhtenko LS, Lyubchenko YL, Rich A (1998). «The Zalpha domain from human ADAR1 binds to the Z-DNA conformer of many different sequences». Nucleic Acids Res 26 (15): 2669–72. DOI:10.1093/nar/26.15.3486. PMID 9671809.
  22. Schwartz T, Rould MA, Lowenhaupt K, Herbert A, Rich A (1999). «Crystal structure of the Zalpha domain of the human editing enzyme ADAR1 bound to left-handed Z-DNA». Science 284 (5421): 1841–5. 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 (1999). «The solution structure of the Zalpha domain of the human RNA editing enzyme ADAR1 reveals a prepositioned binding surface for Z-DNA». Proc Natl Acad Sci USA 96 (22): 2465–70. DOI:10.1073/pnas.96.22.12465. PMID 10535945. Bibcode:1999PNAS...9612465S.
  24. Herbert A, Rich A (2001). «The role of binding domains for dsRNA and Z-DNA in the in vivo editing of minimal substrates by ADAR1». Proc Natl Acad Sci USA 98 (21): 12132–7. DOI:10.1073/pnas.211419898. PMID 11593027. Bibcode:2001PNAS...9812132H.
  25. Halber D. Scientists observe biological activities of 'left-handed' DNA. MIT News Office (11 сентября 1999). Проверено 29 сентября 2008. Архивировано из первоисточника 17 февраля 2013.
  26. Kim YG, Muralinath M, Brandt T, Pearcy M, Hauns K, Lowenhaupt K, Jacobs BL, Rich A (2003). «A role for Z-DNA binding in vaccinia virus pathogenesis». Proc Natl Acad Sci USA 100 (12): 6974–6979. DOI:10.1073/pnas.0431131100. PMID 12777633. Bibcode:2003PNAS..100.6974K.
  27. Kim YG, Lowenhaupt K, Oh DB, Kim KK, Rich A (2004). «Evidence that vaccinia virulence factor E3L binds to Z-DNA in vivo: Implications for development of a therapy for poxvirus infection». Proc Natl Acad Sci USA 101 (6): 1514–1518. DOI:10.1073/pnas.0308260100. PMID 14757814. Bibcode:2004PNAS..101.1514K.
  28. Roy Chowdhury, Arnab; Bakshi, Rahul; Wang, Jianyang; Yildirir, Gokben; Liu, Beiyu; Pappas-Brown, Valeria; Tolun, Gökhan; Griffith, Jack D.; Shapiro, Theresa A.; Jensen, Robert E.; Englund, Paul T.; Ullu, Elisabetta (16 December 2010). «The Killing of African Trypanosomes by Ethidium Bromide». PLoS Pathogens 6 (12): e1001226. DOI:10.1371/journal.ppat.1001226.
  29. Sinden Richard R DNA structure and function. — 1st. — Academic Press. — P. 398. — ISBN 0-126-45750-6
  30. Rich A, Norheim A, Wang AHJ (1984). «The chemistry and biology of left-handed Z-DNA». Annual Review of Biochemistry 53 (1): 791–846. DOI:10.1146/annurev.bi.53.070184.004043. PMID 6383204.
  31. Ho PS (1994-09-27). «The non-B-DNA structure of d(CA/TG)n does not differ from that of Z-DNA». Proc Natl Acad Sci USA 91 (20): 9549–9553. DOI:10.1073/pnas.91.20.9549. PMID 7937803. Bibcode:1994PNAS...91.9549H.

Литература[править | править вики-текст]

  • Коничев А. С., Севастьянова Г. А. Молекулярная биология. — Издательский центр «Академия», 2012. — 400 с. — ISBN 978-5-7695-9147-1
  • David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger Principles of biochemistry. — Fifth edition. — New York: W. H. Freeman and company, 2008. — 1158 p. — ISBN 978-0-7167-7108-1