Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

кинга пар отражается на значениях локального угла спирального вращения: он равен —45° для участков d(GpC) и — 15° для участков d(CpG), где происходит сдвиг пары. Сумма этих величин, — 60°, указана в табл. 12.1 как величина угла спирального вращения на один динуклеотид.

Фосфаты в последовательностях d(GpC) и d(CpG) не эквивалентны друг другу. Во всех правых комплементарных двойных спиралях ДНК и РНК (за исключением «В-ДНК с чередованием конформацни») все фосфаты полинуклеотидной цепи эквивалентны, т.е. расположены на одном и том же расстоянии от оси спирали и имеют одинаковое химическое окружение. В противоположность этому левая закрученность полинуклеотида poly (dG—dC) с чередующейся последовательностью приводит к тому, что расстояние фосфата у d(CpG) до оси спирали («фосфатный» радиус спирали) оказывается меньше (~ 6,2 А), чем у фосфата d(GpC) (~ 7,6 А) (табл. 12.1). Поэтому два указанных фосфата становятся химически неэквивалентными, что согласуется с упоминавшимся ранее фактом расщепления пика резонансного поглощения 31Р в спектре ЯМР [905].

Почему левую спираль ДНК называют Z-ДНК? Поскольку «фосфатный» радиус спирали меняется, принимая попеременно два разных значения, а соседние сахара «смотрят» в противоположные стороны, линия, последовательно соединяющая атомы фосфора в цепи, перестает быть гладкой, как в двойных спиралях с эквивалентными нуклеотидами, и приобретает зигзагообразный вид. Отсюда и название-Z-ДНК [303] (рис. 12.6).

У левых двойных спирален есть только минорный желобок, область главного желобка заполнена атомами С5 цитозина и N7, С8 гуанина. Как

видно из рис. 12.2, GC-пары расположены не симметрично относитель-

Левые комплементарные двойные спирали

311

но оси спирали, а немного сдвинуты к периферии. При этом атомы С5 цитозинов и N7, С8 гуанинов располагаются там, где обычно проходит главный желобок, и вместо впадины в этом месте образуется выпуклость. Что касается минорного желобка, через который теперь проходит ось спирали, то здесь ситуация напоминает таковую для С-и D-ДНК: желобок глубокий и узкий и с двух сторон ограничен фосфатными группами.

Имеет лн Z-ДНК в растворе такую же структуру, что н в кристаллах? Распространено мнение, что кристаллическая структура данного [соединения обусловлена особенностями его строения в твердом состоянии, а в растворе ситуация может быть иной. Однако на существование новой, фундаментально отличающейся от всех известных ранее 'Z-формы ДНК указывали спектры КД и ЯМР именно водных растворов poly (dG—dC). Позднее для расчета точного спектра ЯМР с учетом вклада кольцевых токов и влияния диа- и парамагнитных составляющих атомной анизотропии были использованы кристаллографические атомные координаты. Поскольку экспериментально полученный спектр poly (dG—dC) в 4М NaCl совпадает с теоретическим, можно заключить, что, по-видимому, структура Z-ДНК в растворе и в кристаллах одинакова, а если и различается, то очень незначительно. Напротив, экспериментальный спектр В-ДНК сильно отличается от спектра Z-ДНК и согласуется с расчетным спектром, полученным по координатам В-ДНК [921].

Если полинуклеотиды poly (dG—dC) или poly (dG—dm5C), абсорбированные фосфатом кальция, обработать микрококковой нуклеазой, то

Рис 12.6. Зигзагообразная линия, соединяющая фосфатные группы в Z-ДНК [895]. Вертикальная прямая-ось спирали, горизонтальные отрезки — пары оснований и сахара'. После остатков гуанина зигзагообразная линия идет вертикально, после остатков цитозинов - горизонтально.

312

Глава 12

места «предпочтительного» разрезания будут находиться на расстоянии 13,5 пар друг от друга. Это заметно отличается от значения 12,0 пар на виток, полученного на волокнах [922]. Однако такое различие в средней длине витка не должно приводить к заметным изменениям в спектре ЯМР Z-ДНК в области пика резонансного поглощения 31 Р. В целом, по-видимому, и В-ДНК, и Z-ДНК в растворе слегка раскручиваются из-за гибкости и подвижности ДНК, приводящих к «разрыхлению» структуры и, следовательно, к увеличению шага спирали.

12.2. ЭКСТРАПОЛЯЦИЯ СТРУКТУРНЫХ ДАННЫХ

ПО ОЛИГОНУКЛЕОТИДАМ НА СЛУЧАЙ ПОЛИНУКЛЕОТИДОВ.

Z-СЕМЕЙСТВО ДНК: Z-, Z„ Zlr И Z'-ДНК

На основе данных по кристаллической структуре тетрамера d(CGCG) н соответствующего гексануклеотида была сконструирована структура полинуклеотидных аналогов. Полученные молекулярные модели оказались весьма близки друг к другу, но все же не идентичны: они соотносились между собой как А- и А'-РНК или В- и С-ДНК [303, 917].

Общие для всех двойных спиралей Z-типа особенности описаны выше и суммированы в табл. 12.1. Это двойные спирали 12-го порядка с шагом 44,6 -f- 45,7 А, средним расстоянием между динуклеотидными единицами вдоль оси спирали ~ 7,4 А и углом спирального вращения

— 60°. Имеется небольшой отрицательный угол наклона оснований,

— 7°, относительно перпендикулярного к оси положения. Наконец, левая спираль «тоньше» правых спиралей: ее вандерваальсов диаметр равен 18,1-18,4 А (ср. с величинами 23 А у А-РНК и 19,3 А у В-ДНК).

Различия в молекулярных структурах Z-, Z'-, Z\- и Zn-ДНК. В кристаллах гексануклеотида с различными катионами структуры участков d(CpG) оказываются почти идентичными. Что же касается участков d(GpC), то они могут находиться в одной из двух форм-Z, и Zn в зависимости от того, с чем образует координационную связь фосфатная группа-с молекулой воды или с гидратированным ионом магния. Различие в типе координационного связывания приводит к повороту, а следовательно, к смещению фосфата d(GpC) примерно на 1 А. Именно этим обусловлены различия в углах вращения а и С, вокруг связей Р—О, отмеченные в табл. 12.1. Обе ориентации фосфатной группы стабилизируются внутримолекулярными водными мостиками между атомом N2 аминогруппы гуанина и атомом кислорода дезоксигуанозин-З'-фосфата d(GpC). Чтобы обеспечить такое взаимодействие, в случае Z[-формы достаточно одной молекулы воды, а в случае Zn-формы, где фосфат смещен на 1 А «наружу», нужны уже две молекулы.

При сравнении Z- и Z'-ДНК наблюдается совершенно иная ситуация. Эти формы Z-семейства воссозданы по структуре тетрамера d(CGCG) при низкой и высокой концентрациях соли. В двойной спирали Z'-ДНК у дезоксигуанозинов сахар находится в конформацни Cj.-экзо (разновидность конформацни Сг-эндо), в то же время у Z-, Z,- и Zn-ДНК кон-

Левые комплементарные двойные спирали

313

8 ~ 82° 8 ~ 122°

С3' — эндо С,' — экзо

Рис. 12.7. Взаимодействие с растворителем в Z-ДНК [302]. Слева: внутринук-леотидный водный мостик между атомом N2 и З'-фосфатной группой сын-дезок-сигуанозина. Справа: молекула воды замещена на ион хлора, отталкивающий фосфат. Из-за этого торсионный угол 6 увеличивается от 82° (конформация сахара С3.-эндо) до 122° (конформация сахара Сг-экзо).

формация сахара-С3.-эндо. Такое изменение формы сахара можно объяснить, если принять во внимание наличие относительно тесных внутримолекулярных контактов C2.---N3 в смн-дезоксигуанозине Z'-ДНК. При конформации С2.-эндо эти контакты стали бы еще более тесными, и, следовательно, конформация сахара С2.-эндо в данном случае стерически запрещена. Благодаря небольшому повороту, приводящему к конформации С^-экзо, а в гексануклеотиде (Z\- и Zn-формах) к С3.-эндо, невыгодные контакты в системе устраняются.

I Специфические взаимодействия с растворителем. Различие в конформации сахара у Z- и Z'-ДНК можно также объяснить разным окружением атома N2 аминогруппы гуанина. Как показано на рис. 12.7, в де-"зоксигуанозине между атомом N2 аминогруппы и З'-фосфатной группой ^образуется внутримолекулярный водный мостик. Однако в структуре d(CGCG) с высоким содержанием соли молекула воды, контактирующая с аминогруппой, замещена на ион хлора (С1~), который отталкивает фосфат. Это приводит к изменению 8 от 82 до 122°, т.е. к изменению конформации сахара от С3.-эндо (Z-ДНК) до С^-экзо (Z'-ДНК). © данном случае мы являемся свидетелями специфического взаимодействия растворителя с молекулой нуклеиновой кислоты, стабилизирующего определенный тип конформации спирали.

Судя по спектрам КД, poly (dl—dBr5C) также переходит в Z-форму, хотя и при более высоких концентрациях соли (3,3 М NaCl), чем олиго-мер (dG—dC)8 (2,5 М NaCl). Таким образом, присоединение Вг по положению 5 пиримидина способствует стабилизации Z-ДНК. Другие си-

314

Глава 12

стемы, не содержащие аминогрупп гуанина, например poly (dl—dC), poly (dA—dT), poly (dA—dBr5U), poly (dA—dI5U) и полирибонуклеотид poly (G—С), вообще не переходят в левоспиральные формы. Исключением в этом ряду является полинуклеотид poly (dA—ds4T) с тиозаме-щенными в положении 4 тимидинами, который может находиться в Z-конформации. Вообще же наличие аминогруппы гуанина и чередующейся пурин-пиримидиновой последовательности, как оказалось, является важным условием для образования Z-ДНК. Первый фактор обеспечивает благоприятное взаимодействие с растворителем, а второй способствует образованию Z-формы, поскольку пурины легче перевести в смн-конформацию, чем пиримидины [923].

Формы Z-семейства имеют разную структуру остова, но одинаковый стэкинг. Если сравнить стэкинг соседних пар в четырех типах Z-ДНК, то мы не увидим никаких систематических различий (за исключением описанных выше различий между последовательностями d(GpC) и d (CpG) в пределах каждой формы [920]). Однако в структуре сахаро-фосфатного остова наблюдаются некоторые модификации. Например, неодинаковы конформацни Сахаров у дезоксигуанозинов Z-ДНК (Су-эндо) и Z'-ДНК (Cj.-экзо) и ориентация фосфатов в d(GpC) (см. соответствующие значения углов 8, е и ? в табл. 12.1).

В этом Z-ДНК в корне отличается от правых спиралей, В-, С-и D-ДНК. У этих форм двойных спиралей, напротив, сахарофосфатный остов, по существу, одинаков, тогда как стэкинг оснований при переходе от В- к D-ДНК заметно меняется, поскольку увеличиваются смешение пар и угол наклона.

Для осуществления В -»Z-перехода не требуется расхождения цепей. Процесс превращения правой спирали В-ДНК в левую спираль Z-ДНК протекает, по-видимому, с сохранением общей спиральной структуры и не связан с расхождением цепей. Переход инициируется разрывом нескольких пар оснований, после чего гуанин «закрепляется» в смн-конформации, а дезоксицитидин поворачивается как целое (при таком повороте антм-конформация сохраняется). Затем водородные связи восстанавливаются, и основания вновь образуют уотсон-криковские пары [303]. Это означает, что полного расхождения цепей не требуется, и область В-> Z-перехода перемещается вдоль спирали в виде небольшой петли.

Если в спирали В-ДНК осуществляется переход в Z-форму, можно ожидать, что этот процесс будет зависеть от нуклеотиднои последовательности. Так как расстояние между фосфатами нуклеотиднои пары в В-ДНК, равное ~ 17,5 А, ближе к значению ~ 15 А, характерному для участков Z-ДНК d(GpC), чем к ~ 12,5 А для d(CpG), то В -»Z-переход, вероятно, в первую очередь будет происходить на участках d(GpC). В любом случае в месте стыка В- и Z-форм стэкинг оснований нарушится и на границе раздела будет присутствовать по крайней мере одна пара оснований с разорванными водородными связями. Эта модель экспериментально подтверждается: процесс превращения правой спирали

Левые комплементарные двойные спирали

315

в левую характеризуется большой величиной энергии активации, 21 ккал • моль^ ~ 1 [914].

Термодинамические исследования показали, что переход В +± Z ко-оперативен [914]. Это означает, что, если в двойной спирали В-ДНК образуется зародыш Z-формы, он индуцирует В +± Z-переход в соседних парах и, таким образом, разрастается по полинуклеотидной цепи. В «=* Z-переход, как и переход В «=* А, практически не зависит от температуры (АН ~ 0 ккал • моль ~ 1) и этим отличается от В*±С-перехода (ДН = = — 10 ккал • моль ~ 1), у которого равновесие сдвигается в сторону образования С-формы при понижении температуры.

12.3. ЛЕВАЯ СПИРАЛЬ Z-ДНК В ВОЛОКНАХ

ТРЕХ ПОЛИДЕЗОКСИНУКЛЕОТИДОВ С ЧЕРЕДУЮЩЕЙСЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬЮ

После того как расшифровка кристаллической структуры oligo (dC—dG) подтвердила факт существования левоспиральной Z-ДНК, стала возможной интерпретация рентгенограмм волокон poly (dG—dC), полученных при относительной влажности 44% и концентрации соли 3-6%, которые ранее не находили объяснения [304]. Оказалось, что шаг спирали poly (dG—dC) (43,5 А) немного меньше, чем у oligo (dG—dC), но остальные конформационные параметры очень близки. Аналогичная рентгенограмма была получена также от волокон другого полинуклеотида с чередующейся последовательностью-poly(dG—dT)poly (dA—dC). Следовательно, несмотря на то что спираль poly (dA—dT) • poly (dA—dT) не только не переходит в Z-форму, но даже не может находиться в D-форме, замена А на G вносит настолько сильные изменения в структурные свойства, что образуется уже не D-, а Z-фор-ма. Маловыразительная рентгенбграмма волокна poly (dA—ds4T)-poly (dA—ds4T), которую сначала рассматривали как результат дифракции на правой двойной спирали с симметрией 142 и повторяющимся струк-[турным элементом-динуклеотидом, теперь получила другое объяснение-в терминах левоспиральной структуры [304]. Следует отметить, однако, что для этого пришлось привлечь дополнительную информацию, поскольку не очень хорошую рентгенограмму всегда можно проинтерпретировать разными способами.

12.4. ФАКТОРЫ, СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ Z-ДНК

Спермин в концентрации 2 мкМ стабилизирует Z-ДНК. Существует ли Z-ДНК только при высоких концентрациях соли и спирта (разд. 12.1) I или В <=t Z-переход может происходить и в условиях, близких к физиологическим? Этот вопрос особенно важен при планировании биологиче-оких экспериментов с Z-ДНК. В «± Z-переход можно индуцировать при существенно более низкой концентрации соли, если добавить в систему

316

Глава 12

Таблица 12.2. Концентрация катионов или этанола в средней точке В «=» Z-перехода для полинуклеотида poly(dG—dC)-poly(dG—dC) и его аналога, содержащего метилированный цитозин

Ион poly(dG—dC)- poly(dG—dm5C)-

¦poly(dG—dC) •poly(dG—dm5C)

Na+ [927] 2500 мМ 700 мМ

Mg2+ 700 мМ 0,6 мМ

Са2+ 100 мМ 0,6 мМ

Ва2+ 40 мМ 0,6 мМ

Co(NH3)3+ 0,02 мМ 0,005 мМ

Спермидин3 + Агрегация 0,05 мМ

Спермин4"1" » 0,005 мМ

Этанол 60% (объемн.) 20% (объемн.)

Mg2+ + 20%-ный этанол [924а] 0,4 мМ

Mg2+ + 10%-ный этанол 4 мМ

спирт, двухвалентные ионы или спермин в концентрации до 2 мкМ (табл. 12.2).

Z-форму ДНК можно также получить при помощи химических модификаций. Если в остатки гуанина poly (dG—dC) в положение 8 ввести в качестве заместителя N-2-ацетиламинофтор или бром, это приведет к стери-ческим последствиям, которые обсуждались в разд. 4.7. Как видно из рис. 2.10, >4, в данном случае более выгодной становится смн-конформация гуанина, а следовательно, и образование Z-формы ДНК [925, 926]. Метилирование цитозина по положению 5 также приводит к стабилизации Z-ДНК [926]. Точка перехода сдвигается в область более низких, чем у неметилированного полимера, концентраций соли (табл. 12.2). В обоих случаях B->Z-nepexofl происходит почти при физиологических условиях, и такие полимеры можно использ

страница 37
< 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)