21 начина, по които вашата ДНК може да изглежда

Съдържание:

21 начина, по които вашата ДНК може да изглежда
21 начина, по които вашата ДНК може да изглежда
Anonim

Свикнали сме да мислим за ДНК като двойна спирала - но това е само една от многото й форми. Откакто Уотсън и Крик публикуват своя модел, човешките клетки са открили тройна и четворна ДНК спирала, както и кръстове, фиби и други модели на тъкане - някои са по -лесни за рисуване, отколкото за описване с думи.

Идеи за скици

Уотсън и Крик не бяха единствените, които разглеждаха 3D модела на ДНК. Те дори не бяха първите. Остатъци от биохимични данни могат да се използват за конструиране на различни молекулни форми и имаше много възможности.

Условията на проблема бяха еднакви за всички. В началото на 1953 г. вече беше ясно как действа нуклеотидът:

  • остатъкът от фосфорна киселина,
  • захар,
  • една от азотните основи: аденин (А), гуанин (G), тимин (Т) или цитозин (С).

Известно е също, че азотните основи са разпръснати по веригата по някаква причина: във всяка молекула на ДНК общото количество аденини и гуанини е строго равно на количеството тимини и цитозини. Освен това във всички рентгенови лъчи на Розалинд Франклин и Реймънд Гослинг, независимо от това кое парче ДНК е било отпечатано върху тях, самата нишка е със същата дебелина. Това означава, че формата остава непроменена за всяка нуклеотидна последователност.

От тези уводни бележки Линус Полинг и Робърт Кори съставят своя модел - тройна спирала, настръхнала с азотни основи от всички страни (биохимиците са назначили фосфат и захар за ролята на вътрешно ядро). Този дизайн изглеждаше нестабилен: не беше ясно защо отрицателно заредените фосфатни групи в центъра на спиралата не се отблъскват.

Image
Image

ДНК структура според Полинг и Кори

Брус Фрейзър реши този проблем, като обърна структурата отвътре навън: в неговата версия три нишки гледаха с фосфати. Азотните основи бяха обърнати навътре, но Фрейзър не можа да обясни как са свързани.

Най -стабилен беше моделът Уотсън и Крик с двойна спирала, усукана вдясно. Подобно на Фрейзър, учените поставят фосфатите отвън и азотните основи отвътре. Имаше и ясен принцип на тяхното противопоставяне в този модел: A на една верига винаги беше свързана с T на друга, а G - с C. Това обяснява защо дебелината на конструкцията е стабилна - двойките AT и GC са около същия размер.

Image
Image

Скица с молив на структурата на ДНК от Франсис Крик

След това имаше и други опити да се събере отново ДНК в нова форма. Холандският биохимик Карст Хогстийн например забеляза, че е възможно да се свържат същите двойки нуклеотиди с други лица - така че спиралата също остана стабилна, но се оказа по -тънка. Други автори са изобразявали ДНК като спирала с редуващи се завой наляво и надясно или дори като две двойни спирали, които образуват една четворка. И въпреки че съществуването на двойната спирала на Уотсън-Крик оттогава е потвърдено многократно, през 21-ви век хората продължават да спекулират каква форма приема ДНК веригата в клетката, където е много по-трудно да се види, отколкото в тест тръба. Вярно е, че нито една от алтернативните идеи досега не се оказа достатъчно добра, за да изостави класическата двойна спирала с дясна ръка.

Уотсън и Крик направиха нещо повече от просто разрешаване на спора относно формата на ДНК. Техният модел веднага обяснява как работи тази форма: кореспонденцията едно към едно прави всяка нишка шаблон за другата. Имайки само една от веригите, винаги е възможно да се възстанови втората по нея - всички съвременни модели на предаване на генетична информация се основават на този принцип.

Въпреки това повечето от „отхвърлените“идеи се оказаха по някакъв начин верни. В продължение на почти 70 години внимателно изследване на ДНК в него са открити почти всички възможни видове базови връзки, други спирали и дори ляв завой.

Завийте на грешното място

Самата двойна спирала може да бъде структурирана по различни начини. Това беше забелязано от Розалинд Франклин, въпреки че тя не предполагаше, че пред нея има спирала и дори двойна. При нормални условия, наподобяващи вътреклетъчни, ДНК в снимките на биолога имаше "хлабава" форма, която Франклин нарече В-ДНК. Но ако влажността в епруветката падне под 75 процента, получената А-ДНК е по-широка и плътна.

Image
Image

А (вляво) и В (вдясно) форми на ДНК, както се вижда от Розалинд Франклин

Както се оказа по-късно, А-ДНК наистина е усукана по-здраво: необходими са 10 нуклеотида, за да се обърне спиралата, а не 11, както при В-ДНК. И те са разположени не перпендикулярно на оста на симетрия на спиралата, а под ъгъл: ако в В-ДНК нуклеотидите обикновено се изобразяват като хоризонтални линии, в А-ДНК те трябва да бъдат начертани наклонено.

Уотсън и Крик избраха В-ДНК като основа за своя модел и бяха прави. По-късно се оказа, че В-вариантът всъщност се среща в клетката много по-често и сега той се счита за основната форма на съществуване на ДНК и всички отклонения често се означават с общия термин "не-В ДНК".

Нещо повече, истинската двойна спирала почти никога не отговаря на своя идиличен модел. В живите системи по правило В-ДНК е усукана малко повече, отколкото предвиждат Уотсън и Крик, а средният брой нуклеотиди на завъртане на спирала в нея не е 10 или 11, а около 10,5. Освен това отделни двойки нуклеотиди непрекъснато се отклоняват от зададената „хоризонтала“(това се нарича „завъртане на витлото“), следователно спиралата никога не е абсолютно гладка и равномерна - тук -там от нейните страни стърчи грапавост: краищата на нуклеотидите под различни ъгли.

Image
Image

"Пропелерен" оборот на нуклеотиди в В-ДНК

По -късно се оказа, че спиралите на спиралата могат не само да лежат по -плътно или по -спокойно, но и напълно да се усукат обратно на часовниковата стрелка (например спиралата на кулата Evolution в Москва Сити, която ясно символизира нишката на ДНК, е усукана наляво). По странно стечение на обстоятелствата, точно този вид ДНК е наблюдаван през 1979 г., когато най -накрая беше възможно да се изследват нуклеинови киселини с висока разделителна способност. Все още беше двойна спирала, но в съвсем различна форма: 12 нуклеотида на оборот, дори по-тънки от В-ДНК и усукани не надясно, а наляво. Изпъкналите на повърхността фосфатни групи не образуват гладка спирала, а зигзаг, така че новата версия се нарича Z-образна.

Image
Image

A-DNA (вляво), B-DNA (в центъра), Z-DNA (вдясно)

Това, разбира се, не означава, че моделът на Уотсън-Крик е грешен. Z -формата е получена при доста екзотични условия - в разтвор с висока концентрация на соли. А в клетката също се получава от В-ДНК само при определени обстоятелства: например, когато „напрежението“на веригата е твърде високо и трябва да се освободи. Напрежението се появява поради прекомерно усукване: нишките на ДНК вече са увити една спрямо друга, но образуваната от тях двойна спирала се навива около някакъв протеин (например хистон), възниква т. Нар. Суперсвиване. Преходът към Z -формата помага за облекчаване на напрежението и отпускане на ненужните завои - а това от своя страна е важно, така че новите протеини да могат да се свързват с ДНК, например полимераза по време на транскрипцията.

Следователно, ДНК често приема Z-формата по време на генната транскрипция. Освен това, колкото повече Z-ДНК има, толкова по-активна е транскрипцията. Хистоните не могат да се свързват с Z-ДНК, така че никой не пречи на полимеразата да си върши работата. И това, между другото, активно се използва от туморните клетки, в които спирала с лява ръка се появява навреме пред нужните им гени.

Image
Image

Еволюционната кула (преден план) прилича на ДНК на лявата ръка

Тогава бяха открити други форми на двойната спирала. В зависимост от съдържанието на влага, съдържанието на сол и нуклеотидната последователност в определен регион, ДНК може да бъде още по-удължена (Е-ДНК) или да се свие (С- и D-ДНК), да включва метални йони (М-ДНК) или да бъде разтеглена така че вместо азотни основи в центъра на спиралата се появяват фосфатни групи (S-ДНК). И след като към списъка бяха добавени други видове вътреклетъчна ДНК, като ядрена N-ДНК и рекомбинантна R-ДНК (които обаче бяха включени в този списък не поради тяхната форма, а положение в клетката или произход), в английската азбука за вариантите на ДНК, буквите са почти изчезнали. Всеки, който реши да отвори някаква по-неканонична форма, ще трябва да избере от пет безплатни: F, Q, U, V и Y.

Азбучен списък на ДНК формите

  • А-ДНК е двуверижна, малко по-дебела от В.
  • В-ДНК е тази, която са изградили Уотсън и Крийк.
  • С-ДНК е двуверижна, 9, 3 нуклеотида на оборот.
  • D-ДНК е двуверижна, тясна: 8 нуклеотида на оборот, съдържа много тимини.
  • Е-ДНК е двуверижна, още по-тясна: 15 нуклеотида на два завъртания.
  • G-ДНК е четворна спирала с гуанинови тетради.
  • Н-ДНК е тройна спирала.
  • I-ДНК е две двойни спирали, държани заедно от привличането на техните цитозини.
  • J-ДНК е друга тройна спирала, образувана от AC повторения.
  • К -ДНК - ДНК от трипанозоми, особено богата на аденини.
  • L-ДНК- ДНК на базата на L-дезоксирибоза (не D- както обикновено).
  • М-ДНК-В-ДНК в комплекс с двувалентни метали.
  • N-ДНК е ядрена ДНК.
  • О-ДНК е началната точка на удвояването на ДНК в бактериофаг λ.
  • P-DNA е тройната спирала на Полинг-Кори.
  • R -ДНК - рекомбинантна ДНК (получена чрез вмъкване на чужд фрагмент).
  • S-ДНК е двуверижна, удължена 1,6 пъти по-силна от В-формата.
  • Т-ДНК-подобна на D-формата, открита в Т2 бактериофага.
  • W-ДНК е синоним на Z-ДНК.
  • X-ДНК е двуверижна спирала, образувана от AT повторения.
  • Z-ДНК е двуверижна, лява.

Вземете се в хватката

В допълнение към всички видове двойни спираловидни форми и начини за нейното тъкане, ДНК понякога се разпада на отделни нишки, които се оформят в фиби, кръстове и други двуверижни форми. Случва се също така вече съществуваща двойна спирала да е обрасла с нови съседи.

През 1985 г. се оказа, че Полинг и Кори са били прави преди тридесет години: съществува тройната спирала на ДНК (Н-ДНК). Това обаче изобщо не е подредено, както са очаквали. В истинска тройна спирала, две вериги са свързани по стандартния начин на Уотсън-Крик, а третата ги свързва странично, лежайки в голям жлеб между веригите. В този случай азотните основи на третата, допълнителна нишка са свързани с основните двойки не по класическия начин, а сякаш отстрани - чрез самите връзки, предвидени от Карст Хогстийн. И той в известен смисъл беше прав.

Тройната спирала, подобно на много алтернативни форми на ДНК, също възниква в отговор на свръхсвиване на нишката. Въпреки това, за разлика от Z-формата, тя не поддържа транскрипция, а напротив, пречи на нея. РНК полимеразата, която обикновено преплита две нишки пред себе си, не винаги се справя с разделянето на триплекса. Следователно, ако тройна спирала се образува в ген или неговите регулаторни региони, той работи по -лошо от други.

Image
Image

Варианти на образуване на тройна спирала. Двойките Уотсън-Крик са обозначени в черно, допълнителният трети нуклеотид е подчертан

Също така се случва, че не две или не три, а четири ДНК вериги са свързани едновременно. За да се случи това, четири гуанинови нуклеотида трябва да се срещнат на едно място - няма значение дали са на две нишки от една и съща нишка или на четири различни нишки, които не са свързани помежду си. Всеки гуанин образува некласическа двойка Хугстин с две съседи и заедно образуват квадратна гуанинова тетрада. Ако до тях има други гуанини, които могат да създадат квадрат, тогава от тях се образува купчина - купчина, която държи четири нишки ДНК до нея.

Image
Image

Гуанин тетрад (отгоре) и опции за подреждане на вериги в четворката (отдолу)

Всичките 30 години, изминали от откриването на квадруплексите, броят на процесите, в които те по някакъв начин участват, нараства. Вече са известни повече от двеста протеини, които могат избирателно да разпознават гуанинови тетради - последните вероятно играят ролята на своеобразен генетичен знак, друг начин за регулиране на опаковането и транскрипцията на гени. Например, те често се намират в промотори (регулаторни региони, от които започва транскрипцията) на различни гени. Съвсем наскоро учените дори успяха да разграничат различни видове рак на гърдата чрез набори от четворки, които от своя страна зависят от това кои гени в туморните клетки са свръхактивни.

Колкото по-нататък разглеждаме молекулата на ДНК, толкова повече забелязваме отклонения от отдавна познатия модел. Двойната спирала не е единствената и не окончателната структура на ДНК, а само една (макар и най -честата) от позите, които заема в непрекъснат танц. Подчинявайки се на диктата на нуклеотидната последователност, нишката на ДНК се свива и разширява, огъва, усуква и придобива безкраен брой (красиви) форми. Нито една от тях не е окончателна: алтернативните ДНК структури се трансформират една в друга, конкурират се с В-формата и помежду си, подчиняват се на сигналите на клетъчните протеини и сами ръководят тяхната работа.

Намерете и водете

Неканоничните форми на ДНК, при цялото им разнообразие, не се появяват на произволни места. Стабилността им се дава от определен набор от нуклеотиди в състава им, следователно те се появяват само в тези части на веригата, където има "удобна" последователност за тях.

Така, например, има определени региони в ДНК, които са особено склонни да се сгънат на зигзаг. Това са местата, където G-C двойките се редуват: след ляв завой в тях, всеки втори нуклеотид придобива „неправилна“форма, откъдето и счупеният профил на цялата Z-форма. Това означава, че последователностите, които са склонни да приемат Z -образна форма, могат да бъдат намерени точно в текста - ако видите HZGZGZGZHZHZ, едва ли ще сбъркате. Така в едно произведение например те преброиха 391 такива области в човешкия геном.

Местата, където може да се образува тройната спирала, също могат да бъдат разпознати по характерната нуклеотидна последователност. Третата верига е прикрепена или според принципа на взаимно допълване - тоест към G -C двойката се добавя друга G, образувайки G -C * G - или „към нейната собствена“- и се оказва G * G -C. Следователно, такава конструкция често се случва на онези места на ДНК, където няколко еднакви (например YYYYG) или химически подобни (AGGAAG) нуклеотиди отиват в един ред и където образуват палиндромни (огледални) повторения.

По същия начин появата на квадруплекси може да се предвиди от текста на ДНК. Според резултатите от само едно секвениране (всъщност директен превод на ДНК в букви), повече от 700 хиляди от тях са открити в човешкия геном. Не всички от тях е вероятно да бъдат намерени in vivo - за това съответните нишки на ДНК трябва да бъдат близки в една точка в сложното клетъчно ядро - това обаче може да означава, че четириспиралните структури имат някаква специфична роля в живота на клетката.

Образуването на алтернативни форми на ДНК не винаги е от полза за клетката: повечето от тях са много по-малко издръжливи от обикновената В-ДНК и се чупят много по-често. Следователно, последователностите, които са склонни да образуват не-В форми, стават места на генетична нестабилност и повишена мутагенеза. Някои изследователи виждат това като двигател на еволюцията - ако такива региони се появяват в гени, свързани с развитието на даден организъм. Други обвиняват алтернативните форми на ДНК за всички видове заболявания, свързани със случайни мутации и пренареждане в генома - от тумори до шизофрения и аутизъм.

Оказва се, че ДНК съдържа не само информация за структурата на клетъчните протеини и РНК, но и какви форми може да приеме тази информация, в допълнение към стандарта Уотсън-Крик. И тези форми от своя страна определят какво се случва с тази информация: дали клетката може да я осъзнае или гена, ще бъде вечно мълчалива или дори ще се разпадне напълно, което ще доведе до някои допълнителни мутации.

Вероятно един ден ще се научим да се намесваме в този процес - бихме могли например да изградим верига от нуклеотиди, която да имитира третата нишка в спиралата и да я „плъзне“в точното време на правилното място, за да блокира работата на някакъв нежелан ген в клетката. Имаше дори по -смели предложения - да се използва тройната спирала за целенасочено редактиране на генома: въведете нуклеотид в клетката, който може да образува тройна спирала с целевия ДНК регион и да предизвика система за възстановяване, за да замени този регион с "здрав" вариант от друг хромозома.

И докато току -що научаваме това, остава да разпознаем структурата на ДНК като друг вид информация - в допълнение към генетичната (нуклеотиден "текст") и епигенетичната (наличност на гени за четене) - която носи нашия геном. И ние все още трябва да се научим как да работим с него, като влияем върху съдържанието чрез формата или обратно.

Препоръчано: