Z-DNA

Z-DNA  - yksi monista mahdollisista DNA -kaksoisheliksin rakenteista , on vasenkätinen kaksoiskierre (toisin kuin oikeakätinen, koska B-DNA :n yleisin muoto ). Z-DNA on yksi kolmesta biologisesti aktiivisesta DNA:n kaksoiskierrerakenteesta A-DNA:n ja B-DNA:n ohella, vaikka sen tarkkoja toimintoja ei ole vielä määritetty [1] .

Opiskeluhistoria

Robert Wells ja kollegat löysivät ensimmäisenä vasenkätisen DNA:n tutkiessaan polymeeriä , joka muodostuu inosiini - sytosiinin toistoista [2] . He havaitsivat "käänteisen" pyöreän dikroismin tällaisessa DNA:ssa, josta he päättelivät oikein, että sen ketjut kiertyvät toistensa ympärille vasemmalle. Myöhemmin julkaistiin Z-DNA :n kiderakenne , jossa röntgendiffraktioanalyysi paljasti, että se on ensimmäinen yksikiteinen DNA-fragmentti ( itsekomplementaarinen DNA-heksameeri d(CG) 3 ). Havaittiin, että Z-DNA on vasenkätinen DNA:n kaksoiskierre, joka koostuu kahdesta vastasuuntaisesta juosteesta, jotka on yhdistetty typpipitoisten emäsparien välisillä sidoksilla . Tämän työn suorittivat Andrew Wang  , Alexander Rich ja heidän työtoverinsa Massachusetts Institute of Technologyssa [3] .

Vuonna 1970 osoitettiin, että yleisin DNA:n B-muoto voidaan muuttaa Z-muodoksi. Tässä kokeessa osoitettiin, että polymeerin (dG-dC) pyöreä dikroismi ultraviolettisäteissä 4 M NaCl-liuoksessa muuttui täsmälleen päinvastaiseksi [4] . Sen tosiasian, että tämän siirtymän aikana B-muoto siirtyi Z-muotoon, vahvistivat Raman-spektroskopian tulokset [5] . Vuonna 2005 suoritettu B- ja Z-DNA-liitoksen kiteyttäminen [6] on antanut paremman käsityksen Z-DNA:n mahdollisesta roolista solussa . Missä tahansa on Z-DNA-muotojen segmenttejä, niiden päissä on oltava myös B-Z-liitoksia, jotka yhdistävät Z-muodon muualta genomista löytyvään B-muotoon .

Vuonna 2007 Z-DNA: n RNA -versio kuvattiin kaksinkertaisen oikeakätisen A-RNA- kierteen muunnetuksi muodoksi vasenkätiseksi kierteeksi [7] . Siirtyminen A-RNA:sta Z-RNA :han kuvattiin kuitenkin jo vuonna 1984 [8] .

Rakenne

Z-DNA eroaa merkittävästi oikeakätisistä muodoista. Z-DNA on vasenkätinen ja sen primäärirakenne toistuu joka 2. emäspari. Heliksin kierrosta kohti on 12 emäsparia. Toisin kuin A- ja B-DNA, Z-DNA:ssa pääura on huonosti erotettavissa, sivuura on kapea ja syvä [9] . Yleisesti ottaen Z-DNA:n rakenne on energeettisesti epäsuotuisa, vaikka tietyt olosuhteet voivat aktivoida sen muodostumisen, kuten: vuorottelevat puriini - pyrimidiinisekvenssit (erityisesti poly(dGC) 2 ), DNA :n negatiivinen superkiertyminen , korkea suolapitoisuus ja jotkut kationit ( kaikki fysiologisessa lämpötilassa  - 37 °C ja pH 7,3-7,4). Z-DNA voi yhdistyä B-DNA:n kanssa rakenteessa, joka johtaa emäsparien siirtymiseen (katso kuva) [10] .

Toinen Z-DNA:n piirre on nukleotiditähteiden konformaatioiden vaihtelu . Deoksisytidiini on standardikonformaatiossa: sokeri on C2'-endo-konformaatiossa (katso kuva) ja emäs  on antikonformaatiossa ( eli emäs on käännetty vastakkaiseen suuntaan kuin hydroksyyliryhmä viidennessä hiiliatomi ; polynukleotidiketjun emäkset ovat tässä asemassa [11] ). Deoksiguanosiinissa sokeri on C3' -endo-konformaatiossa ja emäksellä on erittäin epätyypillinen syn - konformaatio [12] .

Z-DNA:n peruspinoamisella on uusia ominaisuuksia, jotka ovat ainutlaatuisia tälle lomakkeelle. Siten pinoamisvuorovaikutuksia esiintyy vain vastakkaisten ketjujen sytosiinitähteiden välillä, kun taas guaniinitähteet eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ollenkaan [1] .

Z-DNA:n fosfaatit eivät ole toisiaan vastaavia ja ovat eri etäisyyksillä heliksin akselista; guaniininukleotideille tämä etäisyys on 0,62 nm ja sytosiininukleotideille 0,76 nm. Samanaikaisesti viereiset sokerit "näkevät" vastakkaisiin suuntiin, ja tämän vuoksi ketjun fosforiatomeja peräkkäin yhdistävästä linjasta tulee siksak (tästä nimi Z-DNA) [1] .

Z-DNA:n rakennetta on vaikea tutkia, koska se tuskin on olemassa stabiilissa kaksoiskierteisessä muodossa. Päinvastoin, vasenkätinen Z-DNA-heliksi on väliaikainen rakenne, joka ilmestyy biologisen aktiivisuuden seurauksena ja katoaa nopeasti [13] .

Siirtyminen B-DNA:sta Z-DNA:han

Kuten jo mainittiin, B- ja Z-muodot voivat siirtyä toisiinsa. Tämä tapahtuu, kun liuoksen ionivahvuus muuttuu tai kationien pitoisuus, jotka neutraloivat fosfodiesterirungon negatiivisen varauksen. Samaan aikaan siirtymiseen ei tarvita ketjujen erotusta, se käynnistyy vetysidosten katkeamisella useissa emäspareissa, jonka jälkeen guaniini kiinnittyy syn - konformaatioon, vetysidokset palautuvat ja emäkset uudelleen. muodostavat Watson-Crick -pareja . Siirtymäalue liikkuu spiraalina silmukan muodossa [1] .

Z-DNA-rakenteen ennustus

Tällä hetkellä on mahdollista ennustaa uskottava DNA-sekvenssi Z-DNA:n muodossa. Tohtori P. Shing Ho Massachusetts Institute of Technologysta [14] kirjoitti vuonna 1984 algoritmin DNA:n taipumuksen ennustamiseksi uudelleen B-muodosta Z-muotoon, ZHunt . Myöhemmin Tracey Camp ja kollegat kehittivät tämän algoritmin määrittääkseen Z-DNA:n muodostumispaikat koko genomissa [15] .

ZHunt - algoritmi on saatavilla Z-Huntin verkossa .

Biologinen merkitys

Z-DNA:ta on löydetty kaikkien kolmen elämänalueen edustajista : arkeista ( erityisesti haloarchaeasta [16] ), bakteereista ja eukaryooteista [9] . Toistaiseksi Z-DNA:n selkeitä biologisia toimintoja ei ole määritetty, mutta oletettavasti se liittyy geeniekspression säätelyyn transkription tasolla . Todellakin tiedetään luotettavasti, että sekvenssi dm5 - dG, joka fysiologisissa olosuhteissa on Z-DNA:n muodossa, liittyy geeniekspression säätelyyn eukaryooteissa. Tätä säätelyä voi välittää superkiertyminen , sitoutuminen Z-DNA-spesifisiin proteiineihin , tiettyihin kationeihin , kuten spermidiiniin , ja deoksisytidiinin metylaatiolla [17] .

Oletusta, että Z-DNA tarjoaa DNA:n superkiertymisen transkription aikana [6] [18] , tukee se tosiasia, että mahdollisuus Z-muotojen muodostumiseen löytyy kohdista, jotka osallistuvat aktiiviseen transkriptioon. Ihmisen 22. kromosomin geeneissä olevien Z-DNA:n muodostumiskohtien ja niistä tunnettujen transkription aloituskohtien välillä osoitettiin yhteys [15] .

Z-DNA muodostuu transkription alkamisen jälkeen. Ensimmäinen domeeni , joka sitoutuu Z-DNA:han ja jolla on korkea affiniteetti siihen , löydettiin entsyymistä ADAR1 (RNA-spesifinen adenosiinideaminaasi) [19] [20] (tätä domeenia kutsuttiin Z-alfa-domeeniksi ). Kristallografiset ja ydinmagneettiset resonanssitutkimukset ovat vahvistaneet, että tämä domeeni sitoo Z-DNA:ta riippumatta sen nukleotidisekvenssistä [21] [22] [23] . Samanlaisia ​​alueita on löydetty joistakin muista ADAR1 :n kanssa homologisista proteiineista [20] . Z-alfa-domeenin tunnistaminen muodosti perustan Z-RNA:n karakterisoinnille ja B-:n assosiaatiolle Z-DNA:han. Tutkimukset ovat osoittaneet, että ADAR1-domeeni, joka sitoo Z-DNA:ta, sallii tämän entsyymin lokalisoitumisen aktiivisiin transkriptiokohtiin, joissa se suorittaa tehtävänsä - muuttaa vastamuodostetun RNA :n sekvenssiä [24] [25] .

Vuonna 2003 MIT :n biofyysikko Alexander Rich havaitsi, että poxviruksen virulenssitekijällä , nimeltään E3L, on Z-alfaan liittyvä kohta, joka on samanlainen kuin nisäkkään Z-DNA:ta sitovalla proteiinilla [26] [27] . Vuonna 2005 Rich ja kollegat tutkivat E3L:n vaikutuksia poxvirukseen. Kun geenejä ekspressoituu, E3L lisää isäntäsolun useiden geenien transkriptiota 5-10-kertaiseksi, ja nämä geenit estävät solujen kyvyn tuhota itseään ( apoptoosi ) suojaavana reaktiona infektioita vastaan .

Rich ehdotti, että Z-DNA on välttämätön transkriptiolle ja E3L stabiloi Z-DNA:ta, mikä lisää apoptoottisten geenien ilmentymistä. Hän esitti myös ajatuksen, että pienet molekyylit voivat sitoutua E3L:ään estäen tätä proteiinia sitoutumasta Z-DNA:han ja lopulta häiritä anti-apoptoottisten geenien ilmentymistä. Tätä voitaisiin mahdollisesti käyttää pohjana suojautumismenetelmälle rokkovirusten aiheuttamaa isorokkoa vastaan.

Anti-Z-DNA- vasta -aineiden avulla tämä DNA-muoto on löydetty polyteenikromosomien levyjen välisiltä alueilta . Tosiasia on, että vain B-DNA:ssa on nukleosomeja , ja siirtyminen Z-muotoon tuhoaa nukleosomin rakenteen ja siten nukleosomeista koostuvan kromatiinin . Tässä suhteessa oletetaan, että Z-muodolla voi olla jonkinlainen säätelyrooli, varsinkin kun B → Z -siirtymä on palautuva [1] .

On osoitettu, että etidiumbromidin toksinen vaikutus trypanosomeihin liittyy niiden kinetoplastin DNA : n siirtymiseen Z-muotoon. Tämä vaikutus johtuu EtBr:n interkalaatiosta DNA:ssa, jonka seurauksena DNA menettää natiivirakenteensa, kiertyy, muuttuu Z-muotoon ja tulee tämän vuoksi replikaatiokyvyttömäksi [28] .

Joidenkin DNA-muotojen geometristen parametrien vertailu

Muistiinpanot

1. ↑ 1 2 3 4 5 Konichev, Sevastyanova, 2012 , s. 93.
2. ↑ Mitsui et ai. Fysikaaliset ja entsymaattiset tutkimukset poly d(IC)-poly d(IC), epätavallisesta kaksoiskierteisestä DNA  :sta (englanniksi)  // Nature (London) : Journal. - 1970. - Voi. 228 , nro. 5277 . - s. 1166-1169 . — PMID 4321098 .
3. ↑ Wang AHJ, Quigley GJ, Kolpak FJ, Crawford JL, van Boom JH, Van der Marel G., Rich A. Vasenkätisen kaksoiskierteisen DNA-fragmentin molekyylirakenne atomiresoluutiolla  (eng.)  // Luonto (Lontoo) : päiväkirja. - 1979. - Voi. 282 , nro. 5740 . - s. 680-686 . - doi : 10.1038/282680a0 . - . — PMID 514347 .
4. ↑ Pohl FM, Jovin TM Suola-indusoitu synteettisen DNA:n yhteistoiminnallinen konformaatiomuutos: tasapaino- ja kineettiset tutkimukset poly(dG-dC  ) :llä  // J. Mol. Biol. : päiväkirja. - 1972. - Voi. 67 . - s. 375-396 . - doi : 10.1016/0022-2836(72)90457-3 . — PMID 5045303 .
5. ↑ Thamann TJ, Lord RC, Wang AHJ, Rich A. Poly(dG-dC)•poly(dG-dC) korkea suolamuoto on vasenkätinen Z-DNA: kiteiden ja  liuosten ramaanispektrit  Nucl// Acids Res. : päiväkirja. - 1981. - Voi. 9 . - P. 5443-5457 . doi : 10.1093 / nar/9.20.5443 . — PMID 7301594 .
6. ↑ 1 2 Ha SC, Lowenhaupt K., Rich A., Kim YG, Kim KK B-DNA:n ja Z-DNA:n välisen liitoksen kristallirakenne paljastaa kaksi ekstrudoitua emästä  //  Nature : Journal. - 2005. - Voi. 437 , no. 7062 . - s. 1183-1186 . - doi : 10.1038/luonto04088 . — . — PMID 16237447 .
7. ↑ Placido D., Brown BA 2nd, Lowenhaupt K., Rich A., Athanasiadis A. Vasenkätinen RNA:n kaksoiskierre, joka on sitoutunut RNA:ta muokkaavan entsyymin ADAR1 Zalpha-domeeniin  //  Rakenne : journal. - 2007. - Voi. 15 , ei. 4 . - s. 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 'Z-RNA' - vasenkätinen RNA:n kaksoiskierre  (englanniksi)  // Luonto. - 1984. - lokakuu ( nide 311 , nro 5986 ). - s. 584-586 . - doi : 10.1038/311584a0 . - . — PMID 6482970 .
9. ↑ 12 Nelson , Cox, 2008 , s. 281.
10. ↑ de Rosa M., de Sanctis D., Rosario AL, Archer M., Rich A., Athanasiadis A., Carrondo MA Kahden Z-DNA-kierteen välisen risteyksen kristallirakenne   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the the Yhdysvallat  : lehti. - 2010. - 18. toukokuuta ( nide 107 , nro 20 ). - P. 9088-9092 . - doi : 10.1073/pnas.1003182107 . - . — PMID 20439751 .
11. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , s. 82.
12. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , s. 92.
13. ↑ Zhang H., Yu H., Ren J., Qu X. Reversiibeli B/Z-DNA-siirtymä vähäsuolaisissa olosuhteissa ja ei-B-muodon polydApolydT-selektiivisyys kuubaanimaisen europium-L-asparagiinihappokompleksin vaikutuksesta  .)  // Biophysical Journal : päiväkirja. - 2006. - Voi. 90 , ei. 9 . - s. 3203-3207 . - doi : 10.1529/biophysj.105.078402 . — . — PMID 16473901 . Arkistoitu alkuperäisestä 12. lokakuuta 2008.
14. ↑ Ho PS, Ellison MJ, Quigley GJ, Rich A. Tietokoneavusteinen termodynaaminen lähestymistapa Z-DNA:n muodostumisen ennustamiseen luonnossa esiintyvissä sekvensseissä  // EMBO  Journal : päiväkirja. - 1986. - Voi. 5 , ei. 10 . - s. 2737-2744 . — PMID 3780676 .
15. ↑ 1 2 Champ PC, Maurice S., Vargason JM, Camp T., Ho PS Z-DNA:n ja ydintekijä I:n jakautuminen ihmisen kromosomissa 22: malli kytketylle transkription säätelylle  // Nucleic Acids Res  . : päiväkirja. - 2004. - Voi. 32 , ei. 22 . - P. 6501-6510 . doi : 10.1093 / nar/gkh988 . — PMID 15598822 .
16. ↑ Paul Bloom. Arkea: Muinaiset mikrobit, äärimmäiset ympäristöt ja elämän synty. - Academic Press, 2001. - Voi. 50. - S. 206. - (Advances in Applied Microbiology).
17. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , s. 93-94.
18. ↑ Rich A., Zhang S. Aikajana: Z-DNA: pitkä tie biologiseen toimintaan  //  Nature Review Genetics : Journal. - 2003. - Voi. 4 , ei. 7 . - s. 566-572 . doi : 10.1038 / nrg1115 . — PMID 12838348 .
19. ↑ Herbert A., Rich A. Menetelmä Z-DNA:ta sitovien proteiinien tunnistamiseksi ja karakterisoimiseksi käyttämällä lineaarista oligodeoksinukleotidia   // Nucleic Acids Res : päiväkirja. - 1993. - Voi. 21 , ei. 11 . - s. 2669-2672 . - doi : 10.1093/nar/21.11.2669 . — PMID 8332463 .
20. ↑ 1 2 Herbert A., Alfken J., Kim YG, Mian IS, Nishikura K., Rich A. Z-DNA:ta sitova domeeni, joka on läsnä ihmisen muokkausentsyymissä, kaksijuosteisessa RNA:n adenosiinideaminaasissa   Proceedings//  : Journal. - 1997. - Voi. 94 , no. 16 . - P. 8421-8426 . - doi : 10.1073/pnas.94.16.8421 . - . — PMID 9237992 .
21. ↑ Herbert A., Schade M., Lowenhaupt K., Alfken J., Schwartz T., Shlyakhtenko LS, Lyubchenko YL, Rich A. Zalpha-domeeni ihmisen ADAR1:stä sitoutuu monien eri sekvenssien Z-DNA-konformeeriin  . )  / / Nucleic Acids Res : päiväkirja. - 1998. - Voi. 26 , nro. 15 . - s. 2669-2672 . doi : 10.1093 / nar/26.15.3486 . — PMID 9671809 .
22. ↑ Schwartz T., Rould MA, Lowenhaupt K., Herbert A., Rich A. Vasenkätisen Z-DNA:han sidotun ihmisen muokkausentsyymin ADAR1 Zalpha-domeenin kristallirakenne  //  Science : Journal. - 1999. - Voi. 284 , nro. 5421 . - P. 1841-1845 . - doi : 10.1126/tiede.284.5421.1841 . — PMID 10364558 .
23. ↑ Schade M., Turner CJ, Kühne R., Schmieder P., Lowenhaupt K., Herbert A., Rich A., Oschkinat H. Ihmisen RNA:n muokkausentsyymin ADAR1 Zalpha-domeenin liuosrakenne paljastaa ennalta asetetun sitoutumispinnan for Z-DNA  (englanti)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United of America  : Journal. - 1999. - Voi. 96 , no. 22 . - P. 2465-2470 . - doi : 10.1073/pnas.96.22.12465 . - . — PMID 10535945 .
24. ↑ Herbert A., Rich A. Sitoutumisdomeenien rooli dsRNA:lle ja Z-DNA:lle ADAR1:n minimaalisten substraattien muokkauksessa in vivo   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United of America  : Journal . - 2001. - Voi. 98 , ei. 21 . - P. 12132-12137 . - doi : 10.1073/pnas.211419898 . - . — PMID 11593027 .
25. ↑ Halber D. Tutkijat tarkkailevat "vasenkätisen" DNA:n biologista toimintaa . MIT News Office (11. syyskuuta 1999). Käyttöpäivä: 29. syyskuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 16. helmikuuta 2013. (määrätön)
26. ↑ Kim YG, Muralinath M., Brandt T., Pearcy M., Hauns K., Lowenhaupt K., Jacobs BL, Rich A.  Z -DNA:n sitoutumisen rooli vaccinia-viruksen patogeneesissä  // Proceedings of the National Academy of Sciences Amerikan yhdysvalloista  : Journal. - 2003. - Voi. 100 , ei. 12 . - P. 6974-6979 . - doi : 10.1073/pnas.0431131100 . - . — PMID 12777633 .
27. ↑ Kim YG, Lowenhaupt K., Oh DB, Kim KK, Rich A. Todisteet siitä, että vaccinia-virulenssitekijä E3L sitoutuu Z-DNA:han in vivo: Vaikutukset rokkovirusinfektion hoidon kehittämiseen   // Proceedings of the National Academy of Sciences of Amerikan Yhdysvallat  : lehti. - 2004. - Voi. 101 , ei. 6 . - s. 1514-1518 . - doi : 10.1073/pnas.0308260100 . - . — PMID 14757814 .
28. ↑ Roy Chowdhury, Arnab; Bakshi, Rahul; Wang, Jianyang; Yildirir, Gokben; Liu, Beiyu; Pappas-Brown, Valeria; Tolun, Gokhan; Griffith, Jack D.; Shapiro, Theresa A.; Jensen, Robert E.; Englund, Paul T.; Ullu, Elisabetta. Afrikkalaisten trypanosomien tappaminen etidiumbromidilla  (englanniksi)  // PLoS Pathogens  : Journal. - 2010. - 16. joulukuuta ( nide 6 , nro 12 ). — P. e1001226 . - doi : 10.1371/journal.ppat.1001226 .
29. ↑ Sinden, Richard R. DNA:n rakenne ja toiminta  (epämääräinen) . – 1. - Academic Press , 1994. - S. 398. - ISBN 0-126-45750-6 .
30. ↑ Rich A., Norheim A., Wang AHJ. Vasenkätisen Z-DNA:n kemia ja biologia  (englanniksi)  // Annual Review of Biochemistry : päiväkirja. - 1984. - Voi. 53 , no. 1 . - s. 791-846 . - doi : 10.1146/annurev.bi.53.070184.004043 . — PMID 6383204 .
31. ↑ Ho PS D(CA/TG)n:n ei-B-DNA-rakenne ei eroa Z-DNA:n rakenteesta   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : Journal. - 1994. - 27. syyskuuta ( nide 91 , nro 20 ). - P. 9549-9553 . - doi : 10.1073/pnas.91.20.9549 . - . — PMID 7937803 .

Kirjallisuus

• Konichev A.S., Sevastyanova G.A. Molekyylibiologia. - Kustannuskeskus "Akatemia", 2012. - 400 s. — ISBN 978-5-7695-9147-1 .
• David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehningerin biokemian periaatteet. – Viides painos. — New York: WH Freeman ja yritys, 2008. — 1158 s. - ISBN 978-0-7167-7108-1 .

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Britannica (verkossa)