Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

ых спиралей, обсуждавшихся в разд. 10.2 и 11.4. Но и у них сохраняются конформационные особенности структур А-семей-ства [913].

Кристаллическая структура r(GCG)d(TA TACGC), самокомплементар-иого декамерного гибрида ДНК-РНК [913а]. Этот декамер представляет собой антипараллельную двойную спираль с уотсон-криковскими парами и со структурными параметрами, характерными для А-РНК Средний угол спирального вращения равен 33°, расстояние между парами вдоль оси спирали составляет 2,6 А. На виток спирали приходится 10,9 пары, угол наклона равен ~ 20°. Угол пропеллера оснований в паре составляет 14° и имеет тот же знак, что и в додекамере, рассмотренном в разд. 11.2. А-конформацию цепи РНК стабилизируют внутримолекулярные водные мостики 02.Н • - - вода • • • 02 (цитозин); никаких явных нарушений структурной непрерывности между рибо- и дезоксирибоучаст-ками дуплекса не отмечается. Конформационные параметры указаны в табл. 11.2.

Гибрид poly (А) ¦ poly(dT) представляет собой исключение и может переходить в В-форму. Рентгеновская дифракция на волокнах гибридного комплекса poly(A) • poly(dT) показала, что при высокой относительной влажности двойная спираль переходит из А-формы в форму, напоминающую В-ДНК [912]. Это открытие, казалось бы, противоречит утверждению о том, что гибриды существуют только в А-конформации. Но, возможно, исключение, которое составляют гомополимеры poly(A) и poly(dT), неслучайно. Во-первых, как отмечалось в разд. 11.4, дезокси-рибоаналог, poly (dA)-poly (dT), является единственным представителем В-спиралей, у которого число пар на виток равно 10,0 (и в волокнах, и в растворе) и который не переходит в другие формы. Такое поведение дезоксирибоаналога частично объясняет, почему переходит в В-форму гибрид poly(A) • poly(dT), состоящий из двух аналогичных гомополиме-ров. Во-вторых, наличие исключительно АТ-пар обусловливает появление определенной схемы гидратации молекулы, которая, как будет показано в гл. 17, должна способствовать образованию В-формы. Таким образом, Повышенная способность гибрида poly(A) • poly(dT) к А -> -> В-переходу определяется особенностью его нуклеотидного состава. В гибридах ДНК-РНК, содержащих GC-пары, и гибридах со случайными последовательностями такой переход не происходит.

Структура ДНК 303

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ

В этой главе мы рассмотрели структуру правых спиралей двухцепочечных ДНК, находящихся в А-, В-, С-, D- и Т-формах, и структуру гибридов ДНК-РНК. В случае А-семейства, единственной представительницей которого является А-ДНК (гл. 9), кроме полимерных нуклеиновых кислот природного и искусственного происхождения изучены самокомплементарные тетра- и октамерные олигонуклеотнды. Аналогично в В-семействе, представляемом В-, С-, D- и Т-ДНК, изучен доде-камерный олигонуклеотид. Рентгеноструктурный анализ монокристаллов додекамера выявил ряд новых деталей спиральной структуры, которые нельзя обнаружить методом дифракции на волокнах, будь то волокна природных ДНК или синтетических полинуклеотидов. Судя по кристаллическим структурам олигодезоксинуклеотидов, конформация всех нуклеотидов в двойных спиралях А-типа одинакова. Совсем по-другому устроены двойные спирали В-типа. Здесь имеют место зависящие от последовательности структурные модуляции, происходящие [ в соответствии с правилами Калладина. Исходя из данных о кристалли-1 ческой структуре тетрамера d(pATAT) была построена спираль «В-ДНК с чередованием конформации», у которой конформации нуклеотидов не эквивалентны друг другу, и предложено объяснение самоорганизации динуклеозидфосфатов d(TpA) в спиралеобразные структуры без соответствующего уотсон-криковского спаривания, но с ярко выраженным стэ-I кингом оснований. Ро1у^А)-ро1у^Т)-конформационно «жесткий» поли-нуклеотидный дуплекс, который предпочитает находиться в В-форме и может перестраиваться в тройную спираль poly(dA) • 2poly(dT), но не переходит в двойную спираль А-формы. С- и D-формы ДНК принадлежат В-семейству. Это двойные спирали соответственно 9-го и 8-го порядков с конформацией сахарных остатков Сг-эндо. Гибриды ДНК-РНК образуют спирали А-семейства и не переходят в В-форму. Исключение составляет двойная спираль poly(A) • poly(dT), поведение которой можно объяснить особым нуклеотидным составом, придающим спирали сходство с «жестким» дуплексом poly(dA) • poly(dT).

ГЛАВА 12

Левые комплементарные двойные спирали -абсурд? Нет, это семейство Z-ДНК

Модели молекул ДНК и РНК-правые двойные спирали-были построены в результате анализа рентгенограмм волокон ДНК и РНК. Так как рентгенограмма сама по себе не позволяет отличить образ от его зеркального изображения или левую спираль от правой, время от времени высказывались серьезные сомнения относительно адекватности предложенной модели ДНК [107-114]. Более того, теоретические расчеты показывают, что из нуклеотидов, имеющих стандартную конформацию, можно построить левую двойную спираль с уотсон-криковски-ми парами оснований [380, 383]. Лишь совсем недавно результаты рентгеноструктурного анализа монокристаллов олигонуклеотидов (разд. 10.4 и 11.2) и тРНК (гл. 15) полностью подтвердили адекватность правоспиральной структуры.

Имеются ли экспериментальные данные в пользу существования левой двойной спирали? При изучении синтетического полинуклеотида poly (dG—dC) с чередующейся последовательностью была выявлена особая, ранее неизвестная структурная форма. В водном растворе с низким содержанием соли этот полинуклеотид обладает такими же свойствами, что и другие правые спирали, т.е. имеет аналогичный спектр кругового дихроизма и единственный пик резонансного поглощения 31Р в спектре ЯМР [905, 914]. Однако при повышении концентрации соли (до 0,7 М MgCl2 или 2,5 М NaCl [914]) или добавлении спирта [915] наблюдается кооперативный переход в другую форму, сопровождающийся инверсией спектра кругового дихроизма (рис. 12.1) и расщеплением пика резонансного поглощения 31Р на две линии [905, 914, 915]. Таким образом, данные ЯМР предполагают, что вторая форма-это двойная спираль с двумя типами фосфатных групп, неэквивалентными друг другу. Что касается изменения КД-спектра, то его трудно было объяснить однозначно, так как ни у одной из известных структурных форм спектры такого типа не наблюдались. Следует подчеркнуть, что конформационный переход, о котором идет речь, проявляется только у полинуклеотидов с чередующейся последовательностью: poly (dG—dC), poly (dG—dm5C), poly (dA—dC), poly (dG—dT), poly (dA—ds4T) и у галогензамещенного полинуклеотида poly (dl—dBrsU). Гомополимер с тем же нуклео-тидным составом, что и poly (dG—dC), poly (dG)poly (dC\ или рибо-аналог poly (rG—rC) ведет себя обычным образом, как и другие поли-

Левые комплементарные двойные спирали

305

Рис. 12.1. Спектры КД poly(dG—dC)

при 0,2 мМ NaCl, рН 7, 25° (-)

и после добавления NaCl (---)

[914].

I'l'_I_i_l_

240 260 280 300

Длина волны, нм

меры с чередующимися последовательностями poly (dA—dT), poly (dA—dBr5U), poly (dA—dIsU) и poly (dl—dC), в которых гуанин замещен на другие пурины.

12.1. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ oligo (dC — dG)-ЛЕВЫЕ ДВОЙНЫЕ СПИРАЛИ

Спор о существовании левой двойной спнралн был окончательно разрешен после того, как были опубликованы результаты двух рентгенострук-турных работ [302, 303], выполненных на монокристаллах тетрамера d(CpGpCpG) [или d(CGCG)] и гексамера d(CpGpCpGpCpG) [или d(CGCGCG)], т.е. олигонуклеотидов с такой же чередующейся последовательностью, что и у poly (dG—dC). Эти работы однозначно показали, что левая двойная спираль существует [916]. Конформации тетрамера и гексамера оказались почти одинаковыми, хотя условия кристаллизации заметно различались: кристаллизацию гексамера проводили в слабом солевом растворе (15 мМ MgCl2, 10 мМ спермин• 4НС1, 5%-ный изопропанол), а тетрамера-при высокой концентрации соли (0,2 М MgCl2, 10%-ный МПД) [917, 918]. Однако и при низкой концентрации соли тетрамер также кристаллизуется в виде левоспирального дуплекса [917, 919]. Эти условия далеки от точки перехода для poly (dG—dC) в растворе, поэтому повышенную стабильность левой спирали в кристаллах приписали влиянию кристаллической упаковки [919].

Ош-конформация пуринов и ан/ш-конформация пиримидинов в левой спирали ДНК. В кристаллах тетрамера и гексамера oligo(dC—dG) самокомплементарные олигонуклеотнды = образуют антипараллельные дуплексы с высотой витка 44,6 -т- 45,7 А и с двенадцатью уотсон-криков-скими парами на виток (рис. 12.2). В противоположность правым спира-

20-509

Рис. 12.2. Молекулярная структура левой двойной спирали poly(dG—dC)-•poly(dG—dC). Построена по координатам Zj-ДНК, полученным при изучении структуры гексануклеотида d(CGCGCG). Приведены вид сбоку и сверху. Описание деталей графического представления и масштаб даны в подписи к рис. 10.1.

Левые комплементарные двойные спирали

307

лям ДНК, у которых все нуклеотиды находятся в одной и той же конформации (исключением является «В-ДНК с чередованием конформации»), в левой спирали, как видно из рис. 12.3 и табл. 12.1, конформации нуклеотидов dG и dC существенно различаются. Дезоксицитидин имеет стандартную конформацию, т.е. сахар С2.-эндо, основание анти, угол вращения у вокруг связи С4.—С5- + ск. У дезоксигуанозина сахар находится в С3.-эндо-конформации и, что самое удивительное, основание имеет син-конформацию, а у попадает в область an.

У Z-ДНК торсионные углы 5 и %, определяющие конформацию сахара и вращение вокруг гликозидной связи, не коррелируют друг с другом [920]. В отличие от В-ДНК, для которой наблюдается линейная зависимость 5 от х (как мы видели на примере додекамера, рис. 11.6), для Z-ДНК такой корреляции не обнаруживается (рис. 12.4). Если нанести на график точки (5, %) для известных кристаллических структур Z-ДНК, то для пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов они образуют две

Таблица 12.1. Структурные параметры Z-ДНК

Тип спирали

Z, Zn ZF

12 12 12

44,6 44,6 43,5

-60 -60 -60

7,43 7,43 7,25

- 7 - 7 - 5

6,3 6,1

7,3 8,0

Число оснований на виток Шаг спирали, А

Угол спирального вращения, град Расстояние между динуклеотидами

вдоль оси спирали, А Наклон оснований, град Расстояние фосфатов от оси спирали, А d(CpG) d(GpQ

Торсионные углы, град

Zn

Z'

а Р У 8 е С х

pG рС pG рС PG PC pG PC pG рС

47 - 137 92 146 52 - НО 75 177 70 - 175

179 - 139 - 167 164 - 153 - 168 175 - 166 - 174 - 168

- 165 56 157 66 178 54 - 178 51 176 61

99 138 94 147 76 147 122 141 97 143

. - 104 -94 - 179 - 100 - 72 - 103 - 150 -85 - 142 -97

- 69 80 55 74 102 -91 - 17 71 - 7 77

68 - 159 62 - 148 89 - 159 70 - 160 65 - 154

Примечание. Значения для Zj- и Zij-форм получены исходя из данных для кристаллической структуры d(CpGpCpGpCpG). для Z- и Z'-ДНК исходя из данных для структуры тетрамера с той же последовательностью [302, 303, 917, 918]; данные для Zp являются Результатом рентгеноструктуриого анализа волокон [304].

20»

308 Глава 12

Рис. 123. Структура GC-пары в Z-ДНК [895]. Стрелки указывают ориентацию сахарных остатков в дезоксигуанозине, имеющем син-конформацию, и в дезок-сицитидине, имеющем антм-конформацию. Ось 2-го порядка, проходящая через уотсон-криковскую пару, в данном случае отсутствует.

четко разделенные области. У пуриновых нуклеотидов % ~ 70° (син-кон-формация), а у пиримидиновых ~ — 160° (яниш-конформация). Каждая область характеризуется своим распределением величин х и 5: как оказалось, у цитидинов сахар находится в конформацни С2.-эндо (5 ~ 140°), а у гуанозинов конформация сахара может быть разной, от С2,-эндо до С2.-экзо (8 варьирует от 100 до 150°). Для угла вращения х наблюдается обратная тенденция, т.е. гуанозины имеют смн-конформацию, которая характеризуется узким диапазоном значений х (62 4- 78°), тогда как для цитидинов, находящихся в янти-конформации, х меняется в более широком интервале (от — 145 до — 180°). Такое поведение можно объяснить чисто стерическими причинами. Самое удивительное, что связь между х и 5, которая так четко прослеживается у В-ДНК (см. рис. 11.6), в случае Z-ДНК не очевидна: если меняется 5, то х остается неизменным, и наоборот.

Геометрия левой двойной спирали определяется чередованием син-и акти-коиформаций нуклеотидов. В правых двойных спиралях, где все основания образуют уотсон-криковские пары, а все нуклеотиды находятся в антм-конформации, через каждую пару и между парами проходят оси 2-го порядка, которые связывают две антипараллельные поли-нуклеотидные цепи друг с другом. В левых двойных спиралях присутствуют такие же уотсон-криковские пары и такие же антипараллельные цепи, что и в правых, но нуклеотиды находятся то в син-, то в янтк-конформации. Поэтому ось 2-го порядка, проходящая через пару, отсутствует, и остается только ось между парами. Кроме того, из-за чередования син- и антм-конформаций сахарные остатки в каждой полинуклеотидной цепи ориентированы попеременно то вверх, то вниз в отличие от правых спиралей, в которых все они направлены в одну сторону.

Стэкинг оснований в левой двойной спирали обладает новыми, характерными лишь для этой спирали свойствами (рис. 12.5). Обычная про-

Левые комплементарные двойные спирали

309

странственная связь между расположением двух соседних пар-спиральное вращение-сохраняется лишь для участков d(GpC), для которых характерно также наличие «нормального» одноцепочечного стэкинга между основаниями G и С. На участках d (CpG) вместо поворота происходит сдвиг пар относительно друг друга. В этом случае наблюдается стэкинг между остатками цитозина противоположных цепей, а остатки гуанина вообще не взаимодействуют друг с другом, но контактируют с атомами 04. соседних дезоксицитидинов. Это взаимодействие было ранее обнаружено в кристаллических структурах некоторых нуклеози-

0' зкзо 4' эндо 2'эндо 3' зкзо

+50

70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

Рис. 12.4. Диаграмма х/8 для Z-ДНК [895]. Точки от 1 до 8 отвечают нуклеоти-Дам в d(CGCG), точки Zj и Zn-соответствующим типам структур Z-семейства. В отличие от ситуации, представленной на рис. 11.6, в данном случае линейная корреляция между х и 8 отсутствует, поскольку d(G) находится в смн-конформа-Пии, a d(C)-B антм-конформации. Вдоль верхней горизонтальной оси указаны конформации сахара.

310

Глава 12

Рис. 12.5. Стэкинг в левоспиральной poly(dG—dC)-poly(dG—dC) для участков d(GpC) {слева) и d(CpG) {справа). Обратите внимание, что у d(GpC) имеется вну-трицепочечный стэкинг между гуанином и цитозином одной цепи, при этом последовательные пары связаны друг с другом винтовой осью. У d(CpG), напротив, имеет место только межцепочечный стэкинг-между цитозинами разных цепей, при этом гуанины взаимодействуют с атомами 04. соседних дезоксицити-динов Точки в минорном желобке указывают положение оси спирали. Рисунок выполнен по координатам атомов для Zi-ДНК, приведенным в работе [917].

дов и нуклеотидов (см. рис. 6.8), но не в полинуклеотидных спиралях. Различие в схеме стэ

страница 36
< 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
(17.09.2019)