Z-DNS

A Z-DNS - a DNS kettős hélix  sok lehetséges szerkezetének egyike , egy balkezes kettős hélix (szemben a jobbkezessel, mint a B-DNS leggyakoribb formája ). A Z-DNS az A-DNS és a B-DNS mellett a DNS három biológiailag aktív kettős hélix szerkezetének egyike , bár pontos funkcióit még nem határozták meg [1] .

Tanulmánytörténet

A balkezes DNS-t először Robert Wells és munkatársai fedezték fel, miközben egy inozin - citozin ismétlődéseiből képzett polimert tanulmányoztak [2] . Az ilyen DNS-ben "fordított" cirkuláris dikroizmust figyeltek meg, amiből helyesen arra a következtetésre jutottak, hogy láncai egymás körül tekernek balra. Ezt követően publikálták a Z-DNS kristályszerkezetét , ahol a röntgendiffrakciós analízis kimutatta, hogy ez az első egykristály DNS-fragmens ( self - complementary DNS hexamer d(CG) 3 ). Azt találták, hogy a Z-DNS egy bal oldali DNS kettős hélix, amely két antiparallel szálból áll, amelyeket nitrogénbázispárok közötti kötéssel kapcsolnak össze . Ezt a munkát Andrew Wang , Alexander Rich és munkatársaik végezték a Massachusetts Institute of Technology -ban [3] .  

1970 - ben kimutatták, hogy a DNS leggyakoribb B-formája Z-formává alakítható. Ebben a kísérletben kimutatták, hogy a polimer (dG-dC) cirkuláris dikroizmusa ultraibolya sugarakban 4 M NaCl oldatban pont az ellenkezőjére változott [4] . Azt a tényt, hogy ezen átmenet során a B-forma átment a Z-formába, a Raman-spektroszkópia eredményei is megerősítették [5] . A B- és Z-DNS-csatlakozás 2005 -ben végzett kristályosítása [6] lehetővé tette a Z-DNS sejtben játszott lehetséges szerepének jobb megértését . Ahol vannak Z-DNS-formák szegmensei, ott is kell lenniük B-Z csomópontoknak a végükön, amelyek összekötik a Z-formát a genom többi részében megtalálható B-formával .

2007 - ben a Z-DNS RNS -változatát a kettős jobbkezes A-RNS hélix transzformált formájaként írták le [7] . Az A-RNS-ről Z-RNS -re való átmenetet azonban már 1984 -ben leírták [8] .

Szerkezet

A Z-DNS jelentősen eltér a jobbkezes formáktól. A Z-DNS balkezes, és elsődleges szerkezete 2 bázispáronként ismétlődik. A spirál fordulatánként 12 bázispár van. Az A- és B-DNS-től eltérően a Z-DNS-ben a fő horony rosszul megkülönböztethető, a mellékhorony keskeny és mély [9] . Általánosságban elmondható, hogy a Z-DNS szerkezete energetikailag kedvezőtlen, bár bizonyos körülmények aktiválhatják a kialakulását, mint például: váltakozó purin - pirimidin szekvenciák (különösen a poli(dGC) 2 ), a DNS negatív szuperspirálozása , magas sótartalom és egyes kationok ( mindezt fiziológiás hőmérsékleten  - 37 °C és pH 7,3-7,4). A Z-DNS a B-DNS-sel olyan szerkezetben kombinálódhat, amely bázispárok kiszorításához vezet (lásd az ábrát) [10] .

A Z-DNS másik jellemzője a nukleotidmaradékok konformációinak váltakozása . A dezoxicitidin a standard konformációban van: a cukor a C2'-endo konformációban van (lásd az ábrát), a bázis  pedig az antikonformációban (vagyis a bázis az ötödik hidroxilcsoporttal ellentétes irányba fordul el) szénatom ; a polinukleotid lánc bázisai ebben a helyzetben vannak [11] ). A deoxiguanozinban a cukor C3'-endo konformációban van, a bázis pedig rendkívül atipikus szin - konformációval rendelkezik [12] .

A Z-DNS-ben az alaphalmozás új tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek egyediek erre az űrlapra. Így halmozási kölcsönhatások csak az ellentétes láncok citozinjai között léteznek, míg a guanincsoportok egymással egyáltalán nem lépnek kölcsönhatásba [1] .

A Z-DNS-ben lévő foszfátok nem egyenértékűek egymással, és különböző távolságra vannak a hélix tengelyétől; a guanin nukleotidok esetében ez a távolság 0,62 nm , a citozin nukleotidok esetében pedig 0,76 nm. Ugyanakkor a szomszédos cukrok ellentétes irányba „néznek”, és emiatt a láncban a foszforatomokat egymás után összekötő vonal cikcakkossá válik (innen a Z-DNS elnevezés) [1] .

A Z-DNS szerkezetét nehéz tanulmányozni, mert alig létezik stabil kettős hélix formában. Éppen ellenkezőleg, a balkezes Z-DNS hélix egy átmeneti struktúra, amely biológiai aktivitás eredményeként jelenik meg és gyorsan eltűnik [13] .

Átmenet B-DNS-ről Z-DNS-re

Mint már említettük, a B- és Z-formák képesek átmenni egymásba. Ez akkor fordul elő, amikor az oldat ionerőssége vagy a foszfodiészterváz negatív töltését semlegesítő kationok koncentrációja megváltozik. Ugyanakkor az átmenethez nincs szükség láncleválasztásra , több bázispárban lévő hidrogénkötések felszakadásával indul be, ami után a guanin a szin -konformációban rögzül, a hidrogénkötések helyreállnak, és a bázisok újra Watson-Crick párokat alkotnak . Az átmeneti terület spirálisan, hurok formájában mozog [1] .

Z-DNS szerkezet előrejelzés

Jelenleg lehetséges egy valószínű DNS-szekvencia előrejelzése Z-DNS formájában. Dr. P. Shing Ho, a Massachusetts Institute of Technology munkatársa 1984-ben írt egy algoritmust a DNS B-formából Z-formába való átrendeződési hajlam előrejelzésére, a ZHunt -ot [14] . Később ezt az algoritmust Tracey Camp és munkatársai fejlesztették ki, hogy meghatározzák a Z-DNS képződési helyeit a teljes genomban [15] .

A ZHunt algoritmus elérhető a Z-Hunt online oldalán .

Biológiai jelentősége

A Z-DNS-t az élet mindhárom tartományának képviselőiben találták: az archaeákban (különösen a haloarchaeákban [16] ), a baktériumokban és az eukariótákban [9] . A Z-DNS egyértelmű biológiai funkcióit ez idáig nem határozták meg, de feltehetően részt vesz a génexpresszió szabályozásában a transzkripció szintjén . Valójában megbízhatóan ismert, hogy a dm 5 -dG szekvencia, amely fiziológiás körülmények között Z-DNS formájában van, az eukarióták génexpressziójának szabályozásához kapcsolódik. Ezt a szabályozást a szuperspirálozás , a Z-DNS-specifikus fehérjékhez , bizonyos kationokhoz , például a spermidinhez és a dezoxicitidin - metilációhoz való kötődés közvetítheti [17] .

Azt a feltevést, hogy a Z-DNS DNS szuperspirálozást biztosít a transzkripció során [6] [18] , alátámasztja az a tény, hogy a Z-formák kialakulásának lehetősége az aktív transzkripcióban részt vevő helyeken található. Összefüggést mutattak ki a 22. humán kromoszóma génjeiben található Z-DNS képződési helyei és az általuk ismert transzkripciós starthelyek között [15] .

A Z-DNS a transzkripció megkezdése után képződik. Az első domént , amely a Z-DNS-hez kötődik, és nagy affinitással rendelkezik ahhoz , az ADAR1 (RNS-specifikus adenozin-deamináz) [19] [20] enzimben találták meg (ezt a domént Z-alfa doménnek nevezték ). Krisztallográfiás és mágneses magrezonancia vizsgálatok megerősítették, hogy ez a domén a nukleotidszekvenciától függetlenül köti a Z-DNS-t [21] [22] [23] . Hasonló régiókat találtak néhány más , ADAR1 -gyel homológ fehérjében [20] . A Z-alfa domén azonosítása alapozta meg a Z-RNS jellemzését és a B- és a Z-DNS asszociációját. Tanulmányok kimutatták, hogy a Z-DNS-t megkötő ADAR1 domén lehetővé teszi ennek az enzimnek az aktív transzkripciós helyeken történő lokalizálását, ahol ellátja funkcióját – megváltoztatja az újonnan képződött RNS szekvenciáját [24] [25] .

2003- ban az MIT biofizikusa , Alexander Rich megfigyelte, hogy a himlővírus E3L-nek nevezett virulenciafaktorának van egy Z-alfához kapcsolódó helye, amely hasonló az emlős Z-DNS-kötő fehérjéhez [26] [27] . 2005-ben Rich és munkatársai megvizsgálták az E3L himlővírusra gyakorolt ​​hatásait. Amikor a gének expresszálódnak, az E3L a gazdasejt több génjének transzkripcióját 5 - ről 10-szeresére növeli , és ezek a gének blokkolják a sejtek önpusztító képességét ( apoptózist ), mint a fertőzés elleni védekező reakciót .

Rich azt javasolta, hogy a Z-DNS nélkülözhetetlen a transzkripcióhoz, az E3L pedig stabilizálja a Z-DNS-t, ezáltal növeli az anti-apoptotikus gének expresszióját. Azt is felvetette, hogy a kis molekulák kötődhetnek az E3L-hez, megakadályozva, hogy ez a fehérje kötődjön a Z-DNS-hez, és végső soron megzavarják az anti-apoptotikus gének expresszióját. Ez potenciálisan felhasználható a himlővírusok által okozott himlő elleni védekezési módszer alapjaként.

Az anti-Z-DNS antitestek segítségével a DNS ezen formáját a politén kromoszómák lemezközi régióiban találták meg . A tény az, hogy csak a B-DNS-nek vannak nukleoszómái , és a Z-formába való átmenet tönkreteszi a nukleoszóma szerkezetét, és így a nukleoszómákból álló kromatint . Ezzel kapcsolatban feltételezzük, hogy a Z-forma elláthat valamilyen szabályozó szerepet, különösen mivel a B → Z átmenet reverzibilis [1] .

Megállapítást nyert, hogy az etidium-bromid tripanoszómákra gyakorolt ​​toxikus hatása összefügg a kinetoplaszt DNS-ük Z-formába való átmenetével. Ez a hatás a DNS-ben EtBr interkalációjának köszönhető, melynek következtében a DNS elveszti natív szerkezetét, letekercselődik, Z-formába alakul át, és emiatt replikációképtelenné válik [28] .

A DNS egyes formái geometriai paramétereinek összehasonlítása

Jegyzetek

1. ↑ 1 2 3 4 5 Konichev, Sevastyanova, 2012 , p. 93.
2. ↑ Mitsui et al. Fizikai és enzimatikai vizsgálatok a poly d(IC)-poly d(IC), egy szokatlan kettős helikális DNS-ről  (angolul)  // Nature (London) : folyóirat. - 1970. - 1. évf. 228. sz . 5277 . - P. 1166-1169 . — PMID 4321098 .
3. ↑ Wang AHJ, Quigley GJ, Kolpak FJ, Crawford JL, van Boom JH, Van der Marel G., Rich A. Balkezes kettős spirális DNS-fragmens molekuláris szerkezete atomi felbontásban  (Eng.)  // Természet (London) : folyóirat. - 1979. - 1. évf. 282 , sz. 5740 . - P. 680-686 . - doi : 10.1038/282680a0 . — . — PMID 514347 .
4. ↑ Pohl FM, Jovin TM Szintetikus DNS só által kiváltott kooperatív konformációs változása: egyensúlyi és kinetikai vizsgálatok poli(dG-dC  ) -vel  // J. Mol. Biol. : folyóirat. - 1972. - 1. évf. 67 . - P. 375-396 . - doi : 10.1016/0022-2836(72)90457-3 . — PMID 5045303 .
5. ↑ Thamann TJ, Lord RC, Wang AHJ, Rich A. A poli(dG-dC)•poly(dG-dC) magas sótartalmú formája balkezes Z-DNS: kristályok és  oldatok raman spektruma  Nucl// Acids Res. : folyóirat. - 1981. - 1. évf. 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 A B-DNS és a Z-DNS közötti csomópont kristályszerkezete két extrudált bázist tár fel  //  Nature : Journal. - 2005. - 20. évf. 437 , sz. 7062 . - P. 1183-1186 . - doi : 10.1038/nature04088 . — . — PMID 16237447 .
7. ↑ Placido D., Brown BA 2nd, Lowenhaupt K., Rich A., Athanasiadis A. Bal-handed RNS kettős hélix, amelyet az ADAR1 RNS-szerkesztő enzim Zalpha doménje köt  //  Structure : Journal. - 2007. - Vol. 15 , sz. 4 . - P. 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” – balkezes RNS kettős spirál  (angolul)  // Természet. - 1984. - október ( 311. évf. , 5986. sz.). - P. 584-586 . - doi : 10.1038/311584a0 . — . — PMID 6482970 .
9. ↑ 12. Nelson , Cox, 2008 , p. 281.
10. ↑ de Rosa M., de Sanctis D., Rosario AL, Archer M., Rich A., Athanasiadis A., Carrondo MA Két Z-DNS hélix közötti csomópont kristályszerkezete   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the Amerikai Egyesült Államok  : folyóirat. - 2010. - május 18. ( 107. évf. , 20. sz.). - P. 9088-9092 . - doi : 10.1073/pnas.1003182107 . - . — PMID 20439751 .
11. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , p. 82.
12. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , p. 92.
13. ↑ Zhang H., Yu H., Ren J., Qu X. Reverzibilis B/Z-DNS átmenet alacsony sótartalom mellett és nem B-forma polydApolydT szelektivitás kubánszerű európium-L-aszparaginsav komplex által  .)  // Biofizikai folyóirat : folyóirat. - 2006. - Vol. 90 , sz. 9 . - P. 3203-3207 . - doi : 10.1529/biophysj.105.078402 . — Iránykód . — PMID 16473901 . Archiválva az eredetiből 2008. október 12-én.
14. ↑ Ho PS, Ellison MJ, Quigley GJ, Rich A. Számítógéppel segített termodinamikai megközelítés a Z-DNS kialakulásának előrejelzésére a természetben előforduló szekvenciákban  // EMBO  Journal : folyóirat. - 1986. - 1. évf. 5 , sz. 10 . - P. 2737-2744 . — PMID 3780676 .
15. ↑ 1 2 Champ PC, Maurice S., Vargason JM, Camp T., Ho PS Distributions of Z-DNS and nukleáris faktor I in human chromosome 22: a model for coupled transcriptional Regulation  // Nucleic Acids Res  . : folyóirat. - 2004. - 20. évf. 32 , sz. 22 . - P. 6501-6510 . doi : 10.1093 / nar/gkh988 . — PMID 15598822 .
16. ↑ Paul Bloom. Archaea: Ősi mikrobák, extrém környezetek és az élet eredete. - Akadémiai Kiadó, 2001. - Vol. 50. - P. 206. - (Advances in Applied Microbiology).
17. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , p. 93-94.
18. ↑ Rich A., Zhang S. Idővonal: Z-DNA: a hosszú út a biológiai funkcióhoz  //  Nature Review Genetics : Journal. - 2003. - 1. évf. 4 , sz. 7 . - P. 566-572 . doi : 10.1038 / nrg1115 . — PMID 12838348 .
19. ↑ Herbert A., Rich A. Módszer Z-DNS-kötő fehérjék azonosítására és jellemzésére lineáris oligodezoxinukleotid segítségével   // Nucleic Acids Res : folyóirat. - 1993. - 1. évf. 21 , sz. 11 . - P. 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. A Z-DNS-kötő domén jelen van a humán szerkesztő enzimben, a kettős szálú RNS adenozin-  Proceedings//deaminázban   : folyóirat. - 1997. - 1. évf. 94 , sz. 16 . - P. 8421-8426 . - doi : 10.1073/pnas.94.16.8421 . - Iránykód . — PMID 9237992 .
21. ↑ Herbert A., Schade M., Lowenhaupt K., Alfken J., Schwartz T., Shlyakhtenko LS, Lyubchenko YL, Rich A. A humán ADAR1 Zalpha doménje számos különböző szekvencia Z-DNS konformeréhez kötődik  . )  / / Nucleic Acids Res : folyóirat. - 1998. - 1. évf. 26 , sz. 15 . - P. 2669-2672 . doi : 10.1093 / nar/26.15.3486 . — PMID 9671809 .
22. ↑ Schwartz T., Rould MA, Lowenhaupt K., Herbert A., Rich A. Az ADAR1 humán szerkesztő enzim Zalpha doménjének kristályszerkezete balkezes Z-DNS-hez kötött  //  Science : Journal. - 1999. - 1. évf. 284. sz . 5421 . - P. 1841-1845 . - doi : 10.1126/tudomány.284.5421.1841 . — PMID 10364558 .
23. ↑ Schade M., Turner CJ, Kühne R., Schmieder P., Lowenhaupt K., Herbert A., Rich A., Oschkinat H. Az ADAR1 humán RNS-szerkesztő enzim Zalpha doménjének oldatszerkezete egy előre elhelyezett kötőfelületet tár fel for Z-DNA  (angol)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : folyóirat. - 1999. - 1. évf. 96 , sz. 22 . - P. 2465-2470 . - doi : 10.1073/pnas.96.22.12465 . - Iránykód . — PMID 10535945 .
24. ↑ Herbert A., Rich A. A dsRNS-hez és a Z-DNS-hez kötődő domének szerepe a minimális szubsztrátok in vivo szerkesztésében az ADAR1 által   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States  : folyóirat. - 2001. - Vol. 98 , sz. 21 . - P. 12132-12137 . - doi : 10.1073/pnas.211419898 . - Iránykód . — PMID 11593027 .
25. ↑ Halber D. A tudósok megfigyelik a „balkezes” DNS biológiai aktivitását . MIT News Office (1999. szeptember 11.). Hozzáférés dátuma: 2008. szeptember 29. Az eredetiből archiválva : 2013. február 16. (határozatlan)
26. ↑ Kim YG, Muralinath M., Brandt T., Pearcy M., Hauns K., Lowenhaupt K., Jacobs BL, Rich A.  A role for Z-DNS bind in vaccinia virus pathogenesis  // Proceedings of the National Academy of Sciences az Amerikai Egyesült Államok  : folyóirat. - 2003. - 1. évf. 100 , nem. 12 . - P. 6974-6979 . - doi : 10.1073/pnas.0431131100 . - . — PMID 12777633 .
27. ↑ Kim YG, Lowenhaupt K., Oh DB, Kim KK, Rich A. Bizonyíték arra, hogy az E3L vaccinia virulencia faktor kötődik a Z-DNS-hez in vivo: Impplications for development of a thetherapy for poxvirus fertőzés   // Proceedings of the National Academy of Sciences of az Amerikai Egyesült Államok  : folyóirat. - 2004. - 20. évf. 101 , sz. 6 . - P. 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. The Killing of African Trypanosomes by Ethidium Bromide  (angol)  // PLoS Pathogens  : Journal. - 2010. - december 16. ( 6. köt. , 12. sz.). — P. e1001226 . - doi : 10.1371/journal.ppat.1001226 .
29. ↑ Sinden, Richard R. DNS szerkezete és funkciója  (határozatlan) . — 1. - Academic Press , 1994. - P. 398. - ISBN 0-126-45750-6 .
30. ↑ Rich A., Norheim A., Wang AHJ. A balkezes Z-DNS kémiája és biológiája  (angol)  // Annual Review of Biochemistry : folyóirat. - 1984. - 1. évf. 53 , sz. 1 . - P. 791-846 . - doi : 10.1146/annurev.bi.53.070184.004043 . — PMID 6383204 .
31. ↑ Ho PS A d(CA/TG)n nem B-DNS szerkezete nem különbözik a Z-DNS szerkezetétől   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : Journal. - 1994. - szeptember 27. ( 91. évf. , 20. sz.). - P. 9549-9553 . - doi : 10.1073/pnas.91.20.9549 . - Iránykód . — PMID 7937803 .

Irodalom

• Konichev A.S., Sevastyanova G.A. Molekuláris biológia. - "Akadémia" Kiadói Központ, 2012. - 400 p. — ISBN 978-5-7695-9147-1 .
• David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger biokémia alapelvei. — Ötödik kiadás. – New York: WH Freeman és társasága, 2008. – 1158 p. - ISBN 978-0-7167-7108-1 .

Szótárak és enciklopédiák	Britannica (online)