21 måter DNA kan se ut på

Innholdsfortegnelse:

21 måter DNA kan se ut på
21 måter DNA kan se ut på
Anonim

Vi er vant til å tenke på DNA som en dobbel helix - men dette er bare en av mange former. Siden Watson og Crick publiserte modellen sin, har menneskelige celler funnet en trippel og firedoblet DNA -helix, samt kors, hårnål og andre vevemønstre - noen er lettere å tegne enn å beskrive med ord.

Skisse ideer

Watson og Crick var ikke de eneste som tenkte på 3D -modellen av DNA. De var ikke engang de første. Biter av biokjemiske data kan brukes til å konstruere en rekke molekylære former, og det var mange alternativer.

Betingelsene for problemet var de samme for alle. I begynnelsen av 1953 var det allerede klart hvordan nukleotidet fungerer:

  • resten av fosforsyre,
  • sukker,
  • en av de nitrogenholdige basene: adenin (A), guanin (G), tymin (T) eller cytosin (C).

Det var også kjent at nitrogenholdige baser var spredt langs kjeden av en grunn: i et hvilket som helst DNA -molekyl var den totale mengden adeniner og guaniner strengt lik mengden tyminer og cytosiner. I tillegg, i alle røntgenstråler av Rosalind Franklin og Raymond Gosling, hadde filamentet selv samme tykkelse, uansett hvilket stykke DNA som var påtrykt dem. Dette betydde at formen forblir uendret for enhver nukleotidsekvens.

Fra disse innledende notatene satte Linus Pauling og Robert Corey sammen modellen sin - en trippel helix som stritter med nitrogenholdige baser på alle sider (biokjemikere har tildelt fosfat og sukker til rollen som en indre kjerne). Denne designen så ustabil ut: det var ikke klart hvorfor de negativt ladede fosfatgruppene i midten av spiralen ikke avstod hverandre.

Image
Image

DNA -struktur ifølge Pauling og Corey

Bruce Fraser løste dette problemet ved å snu strukturen på innsiden: i sin versjon så tre tråder ut med fosfater. De nitrogenholdige basene ble vendt innover, men Fraser kunne ikke forklare hvordan de var forbundet.

Watson og Crick -modellen med en dobbel helix vridd til høyre var den mest stabile. I likhet med Fraser plasserte forskerne fosfatene på utsiden og de nitrogenholdige basene på innsiden. Det var også et klart prinsipp for deres motstand i denne modellen: A på en krets var alltid forbundet med T på en annen, og G - med C. Dette forklarte hvorfor tykkelsen på strukturen er stabil - parene AT og GC handler om samme størrelse.

Image
Image

Blyantskisse av DNA -struktur av Francis Crick

Så var det andre forsøk på å sette sammen DNA til en ny form. Den nederlandske biokjemikeren Karst Hoogsteen, for eksempel, la merke til at det er mulig å koble de samme parene av nukleotider med andre ansikter - så spiralen forble også stabil, men den viste seg å være tynnere. Andre forfattere har avbildet DNA som en spiral med vekslende venstre og høyre sving, eller til og med som to dobbeltspiraler som danner en enkelt firdoble. Og selv om eksistensen av Watson-Crick dobbeltspiral siden har blitt bekreftet mange ganger, fortsetter folk i det 21. århundre å spekulere i hva som danner en DNA-streng inne i en celle, hvor det er mye vanskeligere å se det enn i en test rør. Det er sant at ingen av de alternative ideene så langt har vist seg å være gode nok til å forlate den klassiske høyrehendte dobbelthelixen.

Watson og Crick gjorde mer enn bare å løse kontroversen om formen på DNA. Modellen deres forklarte umiddelbart hvordan dette skjemaet fungerer: En-til-en-korrespondanse gjør hver tråd til en mal for den andre. Med bare en av kjedene, er det alltid mulig å gjenopprette den andre langs den - alle moderne modeller for overføring av genetisk informasjon er basert på dette prinsippet.

Likevel viste de fleste av de "avviste" ideene seg å være riktige på en eller annen måte. I nesten 70 år med grundig granskning av DNA har nesten alle mulige typer baseforbindelser, andre spiraler og til og med venstresving blitt oppdaget i det.

Rull opp til feil sted

Selve dobbelthelixen kan struktureres på forskjellige måter. Dette ble lagt merke til av Rosalind Franklin, selv om hun ikke antok at det var en spiral foran henne, og til og med en dobbel. Under normale forhold, som lignet på intracellulær, hadde DNA-en på biologens bilder en "løs" form, som Franklin kalte B-DNA. Men hvis fuktigheten i reagensglasset falt under 75 prosent, var det resulterende A-DNA bredere og tettere.

Image
Image

A (venstre) og B (høyre) former for DNA sett av Rosalind Franklin

Som det viste seg senere, er A-DNA virkelig vridd tettere: det tar 10 nukleotider å snu spiralen, og ikke 11, som i B-DNA. Og de er plassert ikke vinkelrett på symmetriaksen til spiralen, men i en vinkel: hvis i B-DNA er nukleotider vanligvis avbildet som horisontale linjer, i A-DNA skal de tegnes på skrå.

Watson og Crick valgte B-DNA som grunnlag for modellen deres og hadde rett. Senere viste det seg at B-varianten faktisk forekommer i cellen mye oftere, og nå regnes den som hovedformen for DNA-eksistens, og alle avvik er ofte betegnet med det generelle begrepet "ikke-B-DNA".

Dessuten lever den virkelige dobbelthelixen nesten aldri opp til sin idylliske modell. I levende systemer er B-DNA som regel vridd litt mer enn Watson og Crick forutslo, og gjennomsnittlig antall nukleotider per sving av en helix i den er ikke 10 eller 11, men omtrent 10,5. I tillegg er individuelle par av nukleotider avviker stadig fra settet "horisontalt" (dette kalles "propellvending"), derfor er spiralen aldri helt jevn og jevn - her og der på sidene stikker grovheten ut: endene av nukleotider i forskjellige vinkler.

Image
Image

"Propell" sving av nukleotider i B-DNA

Senere viste det seg at spiralene i spiralen ikke bare kan ligge strammere eller mer avslappet, men helt vri mot klokken (for eksempel er spiralen til evolusjonstårnet i Moskva by, som tydelig symboliserer DNA -strengen, vridd til venstre). Ved en merkelig tilfeldighet er dette akkurat den typen DNA som ble sett i 1979, da det endelig var mulig å undersøke nukleinsyrer med høy oppløsning. Det var fortsatt en dobbel helix, men i en helt annen form: 12 nukleotider per sving, enda tynnere enn B-DNA og vridd ikke til høyre, men til venstre. Fosfatgruppene som stakk ut på overflaten dannet ikke en glatt spiral, men en sikksakk, så den nye versjonen ble kalt Z-formen.

Image
Image

A-DNA (venstre), B-DNA (midten), Z-DNA (høyre)

Dette betydde selvfølgelig ikke at Watson-Crick-modellen tok feil. Z -formen ble oppnådd under ganske eksotiske forhold - i en løsning med høy konsentrasjon av salter. Og i cellen hentes den også fra B-DNA bare under visse omstendigheter: for eksempel når "spenningen" på kjeden er for høy og den må frigjøres. Spenningen vises på grunn av overdreven vridning: DNA-strengene er allerede pakket inn i forhold til hverandre, men den dobbelte helixen som dannes av dem snor seg rundt noe protein (for eksempel histon), såkalt supercoiling oppstår. Overgangen til Z -formen bidrar til å lindre spenning og slappe av unødvendige svinger - og dette er igjen viktig slik at nye proteiner kan binde seg til DNA, for eksempel polymerase under transkripsjon.

Derfor tar DNA ofte Z-formen under gentranskripsjon. Dessuten, jo mer Z-DNA det er, jo mer aktiv er transkripsjonen. Histoner kan ikke binde seg til Z-DNA, så ingen forstyrrer polymerase for å gjøre jobben sin. Og dette, forresten, brukes aktivt av svulstceller, der en venstrehendt helix vises i tid foran genene de trenger.

Image
Image

Evolusjonstårnet (forgrunnen) ser ut som venstrehendt DNA

Da ble andre former for dobbelheliksen funnet. Avhengig av fuktighetsinnholdet, saltinnholdet og nukleotidsekvensen i en bestemt region, kan DNA bli enda mer langstrakt (E-DNA) eller krympe (C- og D-DNA), inkludere metallioner (M-DNA) eller bli strukket slik at i stedet for nitrogenbaser vises fosfatgrupper (S-DNA) i midten av spiralen. Og etter at andre typer intracellulært DNA ble lagt til listen, for eksempel kjernefysisk N-DNA og rekombinant R-DNA (som imidlertid ble inkludert i denne listen ikke på grunn av deres form, men posisjon i cellen eller opprinnelsen), i det engelske alfabetet for DNA -variantene, bokstavene er nesten ute. Alle som bestemmer seg for å åpne en mer ikke-kanonisk form, må velge mellom fem gratis: F, Q, U, V og Y.

Alfabetisk liste over DNA -former

  • A-DNA er dobbeltstrenget, litt tykkere enn B.
  • B-DNA er det som Watson og Creek bygde.
  • C-DNA er dobbeltstrenget, 9, 3 nukleotider per omgang.
  • D-DNA er dobbeltstrenget, smalt: 8 nukleotider per omgang, inneholder mange tyminer.
  • E-DNA er dobbeltstrenget, enda smalere: 15 nukleotider per to omdreininger.
  • G-DNA er en firdoble helix med guanintetrader.
  • H-DNA er en trippel helix.
  • I-DNA er to doble spiraler holdt sammen av tiltrekningen av cytosinene deres.
  • J-DNA er en annen trippel helix dannet av AC-gjentakelser.
  • K -DNA - DNA fra trypanosomer, spesielt rikt på adeniner.
  • L-DNA- DNA basert på L-deoksyribose (ikke D- som vanlig).
  • M-DNA-B-DNA i et kompleks med toverdige metaller.
  • N-DNA er kjernefysisk DNA.
  • O-DNA er utgangspunktet for DNA-dobling i bakteriofag λ.
  • P-DNA er Pauling-Corey triple helix.
  • R -DNA - rekombinant DNA (oppnådd ved å sette inn et fremmed fragment).
  • S-DNA er dobbeltstrenget, forlenget 1,6 ganger sterkere enn B-formen.
  • T-DNA-ligner D-form, funnet i T2-bakteriofagen.
  • W-DNA er synonymt med Z-DNA.
  • X-DNA er en dobbeltstrenget helix dannet av AT-gjentakelser.
  • Z-DNA er dobbeltstrenget, venstrehendt.

Ta deg i grepet

I tillegg til alle slags dobbelspiralformer og måter å veve den på, brytes DNA noen ganger ned i individuelle tråder, som dannes til hårnål, kors og andre dobbeltstrengede former. Det hender også at en allerede eksisterende dobbelthelix vokser over med nye naboer.

I 1985 viste det seg at Pauling og Corey hadde rett for tretti år siden: DNA triple helix (H-DNA) eksisterer. Imidlertid er det ikke ordnet i det hele tatt som de forventet. I en ekte trippel helix er to kjeder koblet på standard Watson-Crick-måte, og den tredje grenser til dem sidelengs og ligger i et stort spor mellom kjedene. I dette tilfellet er nitrogenholdige baser i den tredje tilleggstråden koblet til hovedparene ikke på den klassiske måten, men som fra siden - av selve bindingene som Karst Hoogsteen forutsier. Også han hadde på en måte rett.

Trippelheliksen, som mange alternative former for DNA, oppstår også som svar på supercoiling av strengen. I motsetning til Z-formen støtter den imidlertid ikke transkripsjon, men tvert imot forstyrrer den. RNA -polymerase, som vanligvis vever to tråder foran seg selv, takler ikke alltid å skille triplexen. Derfor, hvis en trippel helix dannes i et gen eller dets regulatoriske regioner, fungerer den dårligere enn andre.

Image
Image

Varianter av dannelsen av en trippel helix. Watson-Crick-par er angitt med svart, det ekstra tredje nukleotidet er uthevet

Det hender også at ikke to eller ikke tre, men fire DNA -tråder er koblet til samtidig. For at dette skal skje, må fire guaninnukleotider møtes på ett sted - det spiller ingen rolle om de er på to tråder av samme streng eller på fire forskjellige tråder som ikke er koblet til hverandre. Hver guanine danner et ikke-klassisk, Hoogsteen-par med to naboer, og sammen danner de en firkantet guanintetrad. Hvis det er andre guaniner ved siden av dem som kan lage en firkant, dannes det en bunke fra dem - en bunke som holder fire DNA -tråder ved siden av den.

Image
Image

Guanine tetrad (øverst) og alternativer for arrangement av kjeder i quadruplex (nederst)

Alle de 30 årene som har gått siden oppdagelsen av firduplekser, vokser antallet prosesser de er involvert på en eller annen måte. Mer enn to hundre proteiner er allerede kjent som selektivt kan gjenkjenne guanintetrader - sistnevnte spiller sannsynligvis rollen som en slags genetisk markering, en annen måte å regulere emballasje og transkripsjon av gener. For eksempel finnes de ofte i promotorer (regulatoriske regioner som transkripsjon starter fra) av forskjellige gener. Mer nylig har forskere til og med klart å skille forskjellige typer brystkreft gjennom sett med firduplekser - som igjen var avhengig av hvilke gener i svulstceller som var overaktive.

Jo lenger vi ser på DNA-molekylet, jo mer merker vi avvik fra den lenge kjente modellen. Den dobbelte helixen er ikke den eneste og ikke den endelige strukturen til DNA, men bare en (om enn den hyppigste) av poseringene den tar i en kontinuerlig dans. Ved å følge nukleotidsekvensens diktater trekker DNA -strengen seg sammen og utvider, bøyer, vrir seg og tar på seg et uendelig antall (vakre) former. Ingen av dem er endelige: alternative DNA-strukturer forvandles til hverandre, konkurrerer med B-formen og med hverandre, adlyder signalene til cellulære proteiner og leder arbeidet sitt selv.

Finn og led

Ikke-kanoniske former for DNA, for all deres mangfold, vises ikke på tilfeldige steder. Stabilitet gis dem av et bestemt sett med nukleotider i sammensetningen, derfor vises de bare i de delene av kjeden der det er en "praktisk" sekvens for dem.

Så for eksempel er det visse områder i DNA som er spesielt villige til å brette seg inn i en sikksakk. Dette er stedene hvor G-C-par veksler: etter en venstresving i dem, tar hvert andre nukleotid en "uregelmessig" form, derav den ødelagte profilen til hele Z-formen. Dette betyr at sekvenser som har en tendens til å ta Z -formen kan bli funnet rett i teksten - hvis du ser HZGZGZGZHZHZ, er det lite sannsynlig at du vil gå galt. Så i et verk, for eksempel, teller de 391 slike regioner i det menneskelige genomet.

Stedene der triple helixen kan danne, kan også gjenkjennes av den karakteristiske nukleotidsekvensen. Den tredje kjeden er festet enten i henhold til prinsippet om komplementaritet - det vil si at en annen G legges til G -C -paret, og danner G -C * G - eller "til sitt eget" - og det viser seg at G * G -C. Derfor oppstår en slik konstruksjon ofte på de stedene i DNA der flere identiske (for eksempel YYYYG) eller kjemisk lignende (AGGAAG) nukleotider går på rad og hvor de danner palindromiske (speil) gjentakelser.

På samme måte kan utseendet til firduplekser forutsies fra DNA -teksten. I følge resultatene av bare én sekvensering (faktisk direkte oversettelse av DNA til bokstaver), ble mer enn 700 tusen av dem funnet i det menneskelige genomet. Ikke alle er sannsynlig å bli funnet in vivo - for dette må de tilsvarende DNA -strengene være tett på et tidspunkt i den komplekse cellekjernen - dette kan imidlertid bety at de fire -spiralformede strukturene har en bestemt rolle i livet av cellen.

Dannelsen av alternative former for DNA gagner ikke alltid cellen: de fleste av dem er mye mindre holdbare enn vanlig B-DNA, og brytes mye oftere. Derfor blir sekvenser som har en tendens til å danne ikke-B-former, steder for genetisk ustabilitet og økt mutagenese. Noen forskere ser på dette som evolusjonens motor - hvis slike regioner forekommer i gener knyttet til utviklingen av en organisme. Andre klandrer alternative former for DNA for alle slags sykdommer forbundet med tilfeldige mutasjoner og omorganiseringer i genomet - fra svulster til schizofreni og autisme.

Det viser seg at DNA ikke bare inneholder informasjon om strukturen til cellulære proteiner og RNA, men også hvilke former denne informasjonen kan ha, i tillegg til Watson-Crick-standarden. Og disse formene avgjør igjen hva som skjer med denne informasjonen: om cellen kan realisere den eller genet, vil være evig stille, eller til og med bryte helt ned, noe som gir opphav til ytterligere mutasjoner.

Vi vil sannsynligvis en dag lære å forstyrre denne prosessen - vi kan for eksempel bygge en kjede av nukleotider som vil etterligne den tredje strengen i spiralen og "skli" den til rett tid på riktig sted for å blokkere arbeidet til noe uønsket gen i cellen. Det var enda dristigere forslag - å bruke trippelheliksen for målrettet genomredigering: introdusere et nukleotid i cellen som kan danne en trippelhelix med mål -DNA -regionen og få reparasjonssystemet til å erstatte denne regionen med en "sunn" variant fra en annen kromosom.

Og mens vi bare lærer dette, gjenstår det å gjenkjenne strukturen av DNA som en annen type informasjon - i tillegg til genetisk (nukleotid "tekst") og epigenetisk (tilgjengelighet av gener for lesing) - som bærer genomet vårt. Og vi må fortsatt lære å jobbe med det, påvirke innholdet gjennom skjemaet, eller omvendt.

Anbefalt: