Z-ДНК

Поделись знанием:
Перейти к: навигация, поиск

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

Левозакрученная ДНК впервые была открыта Робертом Уэллсом и коллегами при изучении полимера, образованного повторениями инозин-цитозина[2]. Они наблюдали «обратный» круговой дихроизм 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 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

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].

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].

Переход из В-ДНК в Z-ДНК

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

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 [gac-web.cgrb.oregonstate.edu/zDNA/ Z-Hunt online].

Биологическое значение

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-й 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 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 ихкинетопластной 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

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° 0°
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]

Примечания

  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: [adsabs.harvard.edu/abs/1979Natur.282..680W 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: [adsabs.harvard.edu/abs/2005Natur.437.1183H 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: [adsabs.harvard.edu/abs/1984Natur.311..584H 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: [adsabs.harvard.edu/abs/2010PNAS..107.9088D 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). «[www.biophysj.org/cgi/content/full/90/9/3203 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: [adsabs.harvard.edu/abs/2006BpJ....90.3203Z 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). «[nar.oxfordjournals.org/cgi/pmidlookup?view=long&pmid=15598822 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. ↑ {{cite journal − |author=Rich A, Zhang S |year=2003 − |title=Timeline: Z-DNA: the long road to biological function − |journal=Nature Review Genetics |volume=4 |issue=7 |pages=566–572 − |pmid=12838348 |doi=10.1038/nrg1115 − }}
  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: [adsabs.harvard.edu/abs/1997PNAS...94.8421H 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: [adsabs.harvard.edu/abs/1999PNAS...9612465S 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: [adsabs.harvard.edu/abs/2001PNAS...9812132H 2001PNAS...9812132H].
  25. ↑ Halber D. [web.mit.edu/newsoffice/1999/zdna-0911.html Scientists observe biological activities of 'left-handed' DNA]. MIT News Office (11 сентября 1999). Проверено 29 сентября 2008. [www.webcitation.org/6EU7IQGwA 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: [adsabs.harvard.edu/abs/2003PNAS..100.6974K 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: [adsabs.harvard.edu/abs/2004PNAS..101.1514K 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: [adsabs.harvard.edu/abs/1994PNAS...91.9549H 1994PNAS...91.9549H].

Литература

  • 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.


Источник — «http://wiki-org.ru/wiki/index.php?title=Z-ДНК&oldid=81517412»