Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

ельно существует, свидетельствует ряд экспериментальных данных. В спектрах ЯМР растворов и волокон поли- и олигонуклеотидов с чередующимися последовательностями пик резонансного поглощения 31Р имеет вид дублета, что указывает на наличие двух типов фосфатов с разным химическим окружением; этот факт согласуется с гипотезой о чередовании значений углов вращения вокруг связей Р—О [903-905]. Кроме того, в случае двойной спирали poly(dA—dT)poly(dA—dT) гипотеза о чередовании конформации подтверждается двумя типами биохимических данных. Во-первых, при ферментативном расщеплении комплекса ДНКазой I образуются только фрагменты, несущие на 5'-конце нуклеотид dT [906], хотя двойную спираль природной ДНК этот фермент расщепляет в любом месте [907]. Во-вторых, константа связывания /ас-репрессора с poly(dA—dT)-poly(dA—dT) почти в 1000 раз больше, чем в случае ДНК тимуса теленка [908]. Это различие в константах связывания можно было бы считать следствием узнавания белком специфической нуклеотидной последовательности. Однако /ас-репрессор так же охотно образует комплексы с рядом химически модифицированных аналогов poly(dA—dT), у которых метальная группа остатков тимина замещена на галогены или гидрофобные группы. На основании этого результата был сделан вывод о том, что взаимодействие между упомянутыми заместителями и соседними остатками аденина индуцирует образование «В-ДНК с чередованием конформации» и стабилизирует ее структуру [900].

19*

292

Глава 11

11.4. УНИКАЛЬНАЯ КОНФОРМАЦИОННО ЖЕСТКАЯ ДВОЙНАЯ СПИРАЛЬ POLY(dA) ¦ POLY(dT)

И ЕЕ ПЕРЕХОД В ТРОЙНУЮ СПИРАЛЬ

Спираль poly{dA)-poly{dT)-это единственная двойная спираль, у которой в водном растворе на виток приходится 10,0 пар оснований. Гомополи-меры poly(dA) и poly(dT) могут образовывать комплекс уотсон-криков-ского типа с соотношением цепей 1:1. Этот комплекс при низкой концентрации соли и высокой относительной влажности волокон имеет структуру типичной В-ДНК. В случае водных растворов в спиралях природных ДНК и у аналога с чередующейся последовательностью, poly(dA—dT), на виток приходится 10,5 + 0,1 пар оснований, а у двойной спирали poly(dA)poly(dT)-10,l + 0,1 [909, 910, 910а]. Это единственный случай, когда структурные характеристики В-ДНК в волокнах и в растворе полностью совпадают. Тот факт, что спираль poly(dA) • poly(dT) не переходит в другие структурные формы, а также наличие у нее особого спектра КД и ее неспособность образовывать нуклеосомы при взаимодействии с гистоновыми октамерами [910] свидетельствуют о том, что этот полинуклеотид действительно отличается от молекул ДНК с чередующимися или случайными последовательностями.

Перегруппировка в трехцепочечную спираль poly{dA) ¦ 2poly{dT). Так как кристаллическая упаковка в волокнах poly(dA) • poly(dT) отличается от упаковки обычной В-ДНК, а шаг спирали меньше на 0,8 А (табл. 9.4), спираль poly(dA) ¦ poly(dT) была названа В'-ДНК [843]. Если в случае волокон poly(dA)-poly(dT) повысить концентрацию соли (или понизить относительную влажность), нормального В -» А-перехода не происходит. Вместо этого цепи перегруппировываются, двухцепочечная спираль превращается в трехцепочечную и появляется одноцепочечный полинуклеотид, как в системе poly(А) • poly(U), (разд. 10.2). В обоих случаях в глубоком главном желобке уотсон-криковской двойной спирали А-типа (А-ДНК) размещается еще одна полинуклеотидная цепь-рогу(Ру), которая образует хугстеновские пары с poly(Pu). Эти две цепи параллельны, тогда как в уотсон-криковском дуплексе цепи антипараллельны. Общая конформация тройных спиралей рибо- и дезокси-риборядов одинакова (рис. 11.8, табл. 9.4).

11.5. ДВОЙНАЯ СПИРАЛЬ С-ТИПА У ПРИРОДНЫХ ДНК И СИНТЕТИЧЕСКИХ ПОЛИНУКЛЕОТИДОВ

При исследовании волокон ДНК методом рентгеновской дифракции было показано, что если литиевую соль природной ДНК поместить в условия с достаточно низкой относительной влажностью (44-66%), то образуется новая форма, С-ДНК (рис. 11.9; табл. 9.1). Такую же форму ДНК можно получить при высокой концентрации соли и значениях влажности, промежуточных между теми, при которых образуются А-и В-ДНК [857], используя в качестве противоиона натрий. Аналогичные

Структура ДНК

Рис. 11.8. Тройная спираль poly (dT) ¦ poly (dA) - poly (dT). Дополнительная цепь poly(dT) (на рисунке слабо окрашена) размещается в главном желобке двойной спирали poly (dT)-poly (dA) А-типа с уотсон-криковскими парами и антипараллельными цепями. Эта цепь идет параллельно poly(dA) и образует с ней хугстеновские пары. Описание деталей графического представления и масштаб даны в подписи к рис. 10.1. Спираль построена по атомным координатам, приведенным в работе [859].

294

Глава 11

Структура ДНК

295

данные были получены методом инфракрасного линейного дихроизма, на ориентированных пленках ДНК, выделенной из различных вирусов сильно различающейся по нуклеотидному составу. В этих исследованиях, кроме того, было выявлено наличие еще одного фактора, способствующего В -» С-переходу,-низкое GC-coдержание образца [911] (рис. 9.1).

До недавнего времени С-ДНК рассматривали как промежуточную форму между А- и В-ДНК, которая образуется при особых сочетаниях солевых условий и влажности, пока не были получены данные, показавшие, что С-ДНК так же важна, как А- и В-ДНК [911а]. Оказалось, что, если уменьшать концентрацию Na+ и влажность, можно перевести в С-

Рис. 11.9. Структура С-ДНК, построенная по атомным координатам, приведенным в работе [94]. Описание деталей графического изображения и масштаб Даны в подписи к рис. 10.1. Приведены вид сбоку и сверху. А. Скелетная модель. Б. Объемная модель. В. Спираль наклонена на угол 32° в сторону от наблюдателя; при таком наклоне хорошо видны минорный (М) и главный (Г) желобки.

296

Глава 11

форму природные ДНК с GC-coдержанием от 31 до 72% и даже глико-зилированную ДНК фага Т2. Если затем опять медленно добавлять воду, происходит обратимый С-»А-» В-переход.

С- и В-ДНК имеют сходную структуру. У нецелочисленной двойной спирали С-ДНК, шаг которой равен 30,9 А и число пар оснований на виток составляет 9,33, структурный мотив повторяется через каждые три витка, или через 28 пар оснований, т.е. спираль обладает симметрией 283 (табл. 9.1, дополнение 9.1). Дезоксирибоза имеет конформацию С3.-экзо (или практически эквивалентную ей С2-эндо), как в В-ДНК. Пары оснований наклонены на угол — 8° относительно перпендикулярного к оси положения, поэтому расстояние между нуклеотидами вдоль оси спирали несколько меньше (3,31 А), чем в В-ДНК. Ось С-ДНК располагается в минорном желобке двойной спирали, D = — 1,0 А, т.е. в А-ДНК ось спирали находится в главном желобке, в В-ДНК она проходит через пару, а в С-ДНК смещена в сторону минорного желобка (рис. 9.5). Желобки близки по размерам к желобкам В-ДНК; при этом главный желобок несколько мельче, а минорный глубже. В целом по конформационным параметрам С-ДНК похожа на слегка измененную В-ДНК (табл. 9.3).

В С-форму могут переходить не только природные ДНК, но и синтетические полинуклеотиды с определенной последовательностью. Методом рентгеновской дифракции на волокнах была обнаружена не только двойная спираль 9,33, с симметрией 283, но и две целочисленные спирали с симметрией 91 и 182 у полинуклеотидов с повторяющимся три-и динуклеотидным мотивами соответственно [824] (табл. 9.1). В случае синтетических полинуклеотидов из повторяющихся блоков, в которых гуанозин замещен на инозин, конформация А-типа заменяется на конформацни С- и D-типов. А-ДНК не образуется даже при сильном изменении условий. По-видимому, такое поведение связано с гидратацией ДНК (см. гл. 17).

11.6. D-ФОРМУ ОБРАЗУЮТ ТОЛЬКО ДНК, СОДЕРЖАЩИЕ УЧАСТКИ С ЧЕРЕДУЮЩЕЙСЯ АД-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬЮ, И ДНК ФАГА Т2

Природные ДНК не образуют двойных спиралей D-типа. Исключение составляют АТ-богатые участки в ДНК с чередующимися последовательностями и ДНК фага Т2, которую отличает высокая степень модификации. В этой ДНК вместо цитозина содержится 5-гадроксиметилцитозин, а кроме того, она гликозилирована более чем на 70% (схема 11.1). Конформационные параметры ДНК фага Т2 (Т-ДНК) близки к таковым для D-ДНК (табл. 9.3 и 9.4).

Синтетические полинуклеотиды, у которых отсутствуют остатки гуа-нозина, находятся не в А-, а в ?>-форме. Если полинуклеотид poly(dG—dC) находится в основном в А-конформации вплоть до относительной влажности 92% (табл. 9.1), то для poly(dA—dT)poly(dA—dT)

Структура ДНК

297

NH.

СН,—О

СНгОН

О— —\

но

NH,

N

O^N I

dR

сн2—О

снг—О

—\

но

сн2он

р -л

он II

Схема 11.1 Структурные формулы однократно (/) и двукратно (//) гликозилиро-ванного 5-гидроксиметилцитидина, который содержится в ДНК некоторых фагов. dR-дезоксирибоза.

эта конформация представляет собой метастабильное структурное состояние [845, 845а]. Полинуклеотид poly(dA—dA—dT)poly(dA—dT

К—dT) образует только структуры В- и D-типов; А-форма не обнаружена также в случае комплементарных полидезоксинуклеотидов, у которых гуанозин замещен на инозин (разд. 11.5).

Двойная спираль D-ДНК закручена сильнее, чем В-ДНК, и имеет очень глубокий, узкий минорный желобок -удобную полость для размещения молекул воды и катионов. В D-ДНК, как и в других двойных спиралях В-семейства, фуранозные кольца находятся в конформации С3.-экзо. По сравнению с В-ДНК эта спираль закручена значительно сильнее: на виток приходится всего восемь пар оснований, высота витка равна 24,3 А. Отсюда следует, что угол спирального вращения в D-ДНК равен 45°, а расстояние между нуклеотидами вдоль оси спирали составляет 3,03 А.

Ось проходит через минорный желобок двойной спирали, D = — 1г8 А (рис. 9.5); поэтому вандерваальсов диаметр спирали равен 21 А, а угол наклона пары относительно перпендикулярной к оси плоскости

¦составляет —16° в отличие от угла +20° для А-ДНК (рис. 11.10, табл. 9.4). Поскольку ось спирали проходит через минорный желобок,

Главный желобок становится более мелким, чем у В- и С-ДНК, а минорный-очень глубоким и узким. Из-за этого в свою очередь фос-

298

Глава 11

Структура ДНК

299

фатные и кетогруппы (02) противоположных цепей подходят друг к другу настолько близко, что у молекул воды и катионов появляется возможность образовывать поперечные сшивки и тем самым стабилизировать конформацию D-ДНК. В недавно опубликованной работе по poly(dA—dT) предполагается, что этот полинуклеотид образует левую спираль [845а].

ДНК фага Т2 единственная из известных природных ДНК, находящаяся в D-форме. В волокнах при относительной влажности выше 95% эта ДНК находится в В-форме, число нуклеотидов на виток равно 10. По мере уменьшения влажности число пар оснований на виток постепенно уменьшается, и при относительной влажности 60% образуется спираль с восемью парами оснований на виток. Из того факта, что В -> -» Т-переход осуществляется постепенно, можно заключить, что закручивание спирали не сопряжено с преодолением какого бы то ни было энергетического барьера, и параметры спирали ДНК фага Т2 плавно меняются в широком диапазоне значений относительной влажности.

Рис 11.10. Структура D-ДНК, построенная по атомным координатам для lpoly(dA—dT), представленным в работе [845]. Описание деталей изображения и масштаб даны в подписи к рис. 10.1. Приведен вид сбоку и сверху. А. Скелетная модель. Б. Объемная модель. В. Спираль наклонена под углом 32° в сторону от наблюдателя; при таком наклоне хорошо просматривается геометрия минорного (М) и главного (Г) желобков.

300

Глава 11

Рис. 11.11. Структура Т-ДНК-геометрического аналога D-ДНК; в этой форме находится ДНК фага Т2 с 5-гликозилированными цитозиновыми остатками. Приведены вид сбоку и сверху двойной спирали 8-го порядка; проекции построены по координатам, приведенным в работе [858]. 5-заместители в остатках цитозина на рисунке не указаны. Описание деталей изображения и масштаб даны в подписи к рис. 10.1.

Напротив, у обычных ДНК В -> А-переход осуществляется скачкообразно. Это указывает на наличие энергетического барьера между состояниями с конформациями сахара С3.-экзо и С3.-эндо [858].

В ДНК фага Т2 на виток спирали высотой 27,2 А приходится восемь нуклеотидов и, таким образом, расстояние между нуклеотидами вдоль оси спирали равно 3,4 А. Поэтому для Т-ДНК характерен лишь небольшой отрицательный наклон пар — 6°, что существенно меньше величины — 16°, свойственной D-ДНК (рис. 11.11). Сахар находится в Сг-эндо (или С3.-экзо)-конформации, что приводит к смещению оси спирали от центра пары на — 1,43 А, т. е. в сторону минорного желобка. В результате у спирали ДНК Т2 минорный желобок глубокий и узкий, а главный—мелкий и широкий.

11.7. ГИБРИДЫ ДНК-РНК ОБРАЗУЮТ ТОЛЬКО ДВОЙНЫЕ СПИРАЛИ ТИПА А- И А-РНК. ПОЛИМЕРЫ И ОЛИГОМЕР r(GCG)d(TATACGC). В-СПИРАЛЬ POLYf А) ¦ POLYfdT)

Гибриды ДНК-РНК имеют большое биологическое значение. Они образуются при транскрипции последовательности оснований ДНК в комплементарную ей последовательность информационной РНК Процесс

Структура ДИК

301

Рис. 11.12. Структура ДНК-РНК-гибрида, poly (I)- poly (dC), в А'-форме. Приведен вид сбоку и сверху. Проекции построены по координатам, приведенным в работе [849]. Описание деталей изображения и масштаб даны в подписи к рис. 10.1.

транскрипции катализирует РНК-полимераза-фермент, который, связываясь с двойной спиралью ДНК, разделяет две ее цепи и синтезирует по одной из них цепь РНК. Следовательно, по крайней мере в области активного центра полимеразы, размер которого эквивалентен длине участка примерно в 40 нуклеотидов, действительно образуется гибрид ДНК-РНК [1017] (разд. 14.4). Гибриды формируются и тогда, когда под действием обратной транскриптазы осуществляется синтез ДНК с использованием РНК (фаговой) как матрицы, а также в ходе репликации ДНК, при образовании коротких молекул РНК-прай-доеров. Рентгеноструктурные исследования волокон ДНК-РНК и волокон трех синтетических гибридов-poly(A) poly(dT), poly(dl) - poly(C) и poly(I)-poly(dC)-6bLim проведены в работах [850], [912], [851] и [849J соответственно. Две первые структуры представляют собой спираль

11- го порядка А-типа, а две последние по своим структурным свойствам ближе к спирали 12-го порядка А'-типа.

Структура комплекса poly{I)-poly{dC) была изучена детально [849]. Исследование показало, что в этом случае образуется двойная спираль

12- го порядка типа А'-РНК с шагом 35,6 А; пары оснований смещены от оси спирали на расстояние D = 4,9 А и наклонены относительно перпендикулярного к оси положения на угол + 5,7° (табл. 9.4 и рис. 11.12).

302

Глава 11

Обе цепи полинуклеотидного комплекса-и цепь ДНК, и цепь РНК-имеют идентичные конформационные углы и построены из нуклеотидов с конформацией сахара С3-эндо.

Гибриды ДНК-РНК, вообще говоря, не способны переходить в спиральные формы В-семейства. Это означает, что структурный консерватизм РНК затрагивает не только дуплексы РНК, но сохраняется даже тогда, когда хотя бы одна из цепей двойной спирали является цепью РНК.

В случае таких гибридов, как poly(dA) • poly(U), изменение окружающих условий может индуцировать образование других структур, в частности трехцепочечн

страница 35
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79

Скачать книгу "Принципы структурной организации нуклеиновых кислот" (9.68Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(22.10.2019)