Z-DNA

Z-DNA  - jedna z mnoha možných struktur dvoušroubovice DNA , je levotočivá dvoušroubovice (na rozdíl od pravotočivé, jako nejběžnější formy B-DNA ). Z-DNA je spolu s A-DNA a B-DNA jednou ze tří biologicky aktivních dvoušroubovicových struktur DNA, i když její přesné funkce dosud nebyly stanoveny [1] .

Historie studia

Levorukou DNA poprvé objevil Robert Wells a kolegové při studiu polymeru tvořeného repeticemi inosinu - cytosinu [2] . V takové DNA pozorovali „reverzní“ cirkulární dichroismus , z čehož správně usoudili, že se její řetězce omotávají kolem sebe ve směru doleva. Následně byla publikována krystalová struktura Z-DNA, kde rentgenová difrakční analýza odhalila, že se jedná o první monokrystalický fragment DNA ( samokomplementární DNA hexamer d(CG) 3 ). Bylo zjištěno, že Z-DNA je levotočivá dvoušroubovice DNA dvou antiparalelních vláken spojených vazbami mezi páry dusíkatých bází . Tuto práci provedli Andrew Wang  , Alexander Rich a jejich spolupracovníci na Massachusetts Institute of Technology [3] .

V roce 1970 se ukázalo, že nejběžnější B-formu DNA lze převést na Z-formu. V tomto experimentu bylo prokázáno, že cirkulární dichroismus polymeru (dG-dC) v ultrafialovém záření ve 4M roztoku NaCl se změnil na pravý opak [4] . Skutečnost, že během tohoto přechodu B-forma přešla do Z-formy, potvrdily výsledky Ramanovy spektroskopie [5] . Krystalizace B- a Z-DNA spojení provedená v roce 2005 [6] poskytla lepší pochopení potenciální role, kterou Z-DNA hraje v buňce . Kdekoli jsou segmenty forem Z-DNA, musí být na jejich koncích také B-Z spojky, které spojují Z-formu s B-formou nacházející se ve zbytku genomu .

V roce 2007 byla popsána RNA verze Z-DNA jako transformovaná forma dvojité pravotočivé šroubovice A-RNA na levotočivou šroubovici [7] . Přechod z A-RNA na Z-RNA byl však popsán již v roce 1984 [8] .

Struktura

Z-DNA se výrazně liší od pravorukých forem. Z-DNA je levotočivá a má primární strukturu , která se opakuje každé 2 páry bází. Na jedno otočení šroubovice připadá 12 párů bází. Na rozdíl od A- a B-DNA je u Z-DNA hlavní rýha špatně rozlišitelná, vedlejší rýha je úzká a hluboká [9] . Obecně je struktura Z-DNA energeticky nepříznivá, i když určité podmínky mohou její vznik aktivovat, např.: střídání purinových - pyrimidinových sekvencí (zejména poly(dGC) 2 ), negativní supercoiling DNA , vysoký obsah solí a některých kationtů ( vše při fyziologické teplotě  - 37 °C a pH 7,3-7,4). Z-DNA se může kombinovat s B-DNA ve struktuře, která vede k vytěsnění párů bází (viz obr.) [10] .

Dalším znakem Z-DNA je střídání konformací nukleotidových zbytků. Deoxycytidin je ve standardní konformaci: cukr je v C2' -endo konformaci (viz obrázek) a báze  je v antikonformaci (tj. báze je otočena ve směru opačném k hydroxylové skupině na pátém místě). atom uhlíku , báze v polynukleotidovém řetězci jsou v této poloze [11] ). V deoxyguanosinu je cukr v C3'-endo konformaci a báze má extrémně atypickou syn - konformaci [12] .

Základní stohování v Z-DNA má nové vlastnosti, které jsou jedinečné pro tuto formu. Stohovací interakce tedy existují pouze mezi cytosinovými zbytky opačných řetězců, zatímco guaninové zbytky spolu neinteragují vůbec [1] .

Fosfáty v Z-DNA nejsou navzájem ekvivalentní a jsou v různých vzdálenostech od osy šroubovice; pro guaninové nukleotidy je tato vzdálenost 0,62 nm a pro cytosinové nukleotidy je 0,76 nm. Sousední cukry se přitom „dívají“ opačným směrem, a proto se čára spojující postupně atomy fosforu v řetězci klikatí (odtud název Z-DNA) [1] .

Strukturu Z-DNA je obtížné studovat, protože stěží existuje ve stabilní dvoušroubovici. Naopak, levotočivá šroubovice Z-DNA je dočasná struktura, která se objevuje v důsledku biologické aktivity a rychle mizí [13] .

Přechod z B-DNA na Z-DNA

Jak již bylo zmíněno, B- a Z-formy jsou schopny přecházet jedna do druhé. K tomu dochází, když se změní iontová síla roztoku nebo koncentrace kationtů , které neutralizují negativní náboj fosfodiesterové kostry. Přitom pro přechod není potřeba separace řetězců, je iniciována přerušením vodíkových vazeb v několika párech bází, načež se guanin zafixuje v syn - konformaci, obnoví se vodíkové vazby a znovu báze tvoří páry Watson-Crick . Přechodová oblast se pohybuje spirálovitě ve tvaru smyčky [1] .

Predikce struktury Z-DNA

V současné době je možné předpovědět věrohodnou sekvenci DNA ve formě Z-DNA. Algoritmus pro předpovídání sklonu DNA k přeskupení z B-formy na Z-formu, ZHunt , sepsal v roce 1984 Dr. P. Shing Ho z Massachusetts Institute of Technology [14] . Později tento algoritmus vyvinula Tracey Camp a kolegové k určení míst tvorby Z-DNA v celém genomu [15] .

Algoritmus ZHunt je k dispozici na Z-Hunt online .

Biologický význam

Z-DNA byla nalezena u zástupců všech tří domén života: archaea (zejména haloarchaea [16] ), bakterií a eukaryot [9] . Dosud jasné biologické funkce Z-DNA nebyly stanoveny, nicméně se předpokládá, že se podílí na regulaci genové exprese na úrovni transkripce . Je skutečně spolehlivě známo, že sekvence dm5 -dG, která je za fyziologických podmínek ve formě Z-DNA, je spojena s regulací genové exprese u eukaryot. Tato regulace může být zprostředkována supercoilingem , vazbou na specifické proteiny Z-DNA , určité kationty , jako je spermidin a methylace deoxycytidinu [17] .

Předpoklad, že Z-DNA poskytuje DNA supercoiling během transkripce [6] [18] , je podpořen skutečností, že potenciál pro tvorbu Z-forem se nachází v místech zapojených do aktivní transkripce. Byl prokázán vztah mezi místy tvorby Z-DNA v genech 22. lidského chromozomu a pro ně známými místy startu transkripce [15] .

Z-DNA se tvoří po začátku transkripce. První doména , která se váže na Z-DNA a má k ní vysokou afinitu , byla nalezena v enzymu ADAR1 (RNA-specifická adenosin deamináza) [19] [20] (tato doména se nazývala Z-alfa doména ). Krystalografické studie a studie nukleární magnetické rezonance potvrdily, že tato doména váže Z-DNA bez ohledu na její nukleotidovou sekvenci [21] [22] [23] . Podobné oblasti byly nalezeny v některých dalších proteinech homologních s ADAR1 [20] . Identifikace domény Z-alfa tvořila základ pro charakterizaci Z-RNA a asociaci B- se Z-DNA. Studie prokázaly, že doména ADAR1, která váže Z-DNA, umožňuje tomuto enzymu lokalizaci v aktivních transkripčních místech, kde plní svou funkci – mění sekvenci nově vzniklé RNA [24] [25] .

V roce 2003 biofyzik z MIT Alexander Rich pozoroval, že faktor virulence poxviru , nazývaný E3L, má Z-alfa-příbuzné místo podobné savčímu Z-DNA-vazebnému proteinu [26] [27] . V roce 2005 Rich a kolegové zkoumali důsledky E3L pro poxvirus. Když jsou geny exprimovány, E3L způsobí zvýšení transkripce několika genů hostitelské buňky 5 až 10krát a tyto geny blokují schopnost buněk k autodestrukci ( apoptóze ) jako ochranné reakci proti infekci .

Rich navrhl, že Z-DNA je nezbytná pro transkripci a E3L stabilizuje Z-DNA, čímž zvyšuje expresi antiapoptotických genů. Také předložil myšlenku, že malé molekuly se mohou vázat na E3L, čímž brání tomuto proteinu ve vazbě na Z-DNA a nakonec interferují s expresí antiapoptotických genů. To by mohlo být potenciálně použito jako základ metody ochrany proti neštovicím způsobeným poxviry.

Pomocí anti-Z-DNA protilátek byla tato forma DNA nalezena v interdiskových oblastech polytenových chromozomů . Faktem je, že pouze B-DNA má nukleozomy a přechod na Z-formu ničí strukturu nukleozomu, a tedy chromatin sestávající z nukleozomů . V tomto ohledu se předpokládá, že Z-forma může plnit určitý druh regulační role, zejména proto, že přechod B → Z je reverzibilní [1] .

Bylo zjištěno, že toxický účinek ethidiumbromidu na trypanozomy je spojen s přechodem jejich kinetoplastové DNA na Z-formu. Tento efekt je způsoben interkalací EtBr do DNA, díky které DNA ztrácí svou nativní strukturu, odvíjí se, transformuje se do Z-formy a kvůli tomu se stává neschopnou replikace [28] .

Porovnání geometrických parametrů některých forem DNA

Poznámky

1. ↑ 1 2 3 4 5 Konichev, Sevastyanova, 2012 , str. 93.
2. ↑ Mitsui a kol. Fyzikální a enzymatické studie poly d(IC)-poly d(IC), neobvyklé dvoušroubovicové DNA  (anglicky)  // Nature (Londýn) : časopis. - 1970. - Sv. 228 , č.p. 5277 . - S. 1166-1169 . — PMID 4321098 .
3. ↑ Wang AHJ, Quigley GJ, Kolpak FJ, Crawford JL, van Boom JH, Van der Marel G., Rich A. Molecular structure of a left-handed double helic DNA fragment at atomic resolution  (Angl.)  // Nature (Londýn) : deník. - 1979. - Sv. 282 , č.p. 5740 . - str. 680-686 . - doi : 10.1038/282680a0 . — . — PMID 514347 .
4. ↑ Pohl FM, Jovin TM Salt-indukovaná kooperativní konformační změna syntetické DNA: rovnovážné a kinetické studie s poly(dG-dC  )  // J. Mol. Biol. : deník. - 1972. - Sv. 67 . - str. 375-396 . - doi : 10.1016/0022-2836(72)90457-3 . — PMID 5045303 .
5. ↑ Thamann TJ, Lord RC, Wang AHJ, Rich A. Vysokosolná forma poly(dG-dC)•poly(dG-dC) je levotočivá Z-DNA: Ramanova spektra krystalů a  roztoků  Nucl// Acids Res. : deník. - 1981. - Sv. 9 . - S. 5443-5457 . doi : 10.1093 / nar/9.20.5443 . — PMID 7301594 .
6. ↑ 1 2 Ha SC, Lowenhaupt K., Rich A., Kim YG, Kim KK Krystalová struktura spojení mezi B-DNA a Z-DNA odhaluje dvě extrudované báze  //  Nature : journal. - 2005. - Sv. 437 , č.p. 7062 . - S. 1183-1186 . - doi : 10.1038/nature04088 . — . — PMID 16237447 .
7. ↑ Placido D., Brown BA 2nd, Lowenhaupt K., Rich A., Athanasiadis A. Levostranná dvoušroubovice RNA vázaná doménou Zalpha enzymu pro úpravu RNA ADAR1  //  Struktura: časopis. - 2007. - Sv. 15 , č. 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'--a left-handed RNA double helix  (anglicky)  // Nature. - 1984. - říjen ( roč. 311 , č. 5986 ). - str. 584-586 . - doi : 10.1038/311584a0 . — . — PMID 6482970 .
9. ↑ 12 Nelson , Cox, 2008 , str. 281.
10. ↑ de Rosa M., de Sanctis D., Rosario AL, Archer M., Rich A., Athanasiadis A., Carrondo MA Krystalová struktura spojení mezi dvěma šroubovicemi Z-DNA   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the Spojené státy americké  : časopis. - 2010. - 18. května ( roč. 107 , č. 20 ). - S. 9088-9092 . - doi : 10.1073/pnas.1003182107 . - . — PMID 20439751 .
11. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , str. 82.
12. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , str. 92.
13. ↑ Zhang H., Yu H., Ren J., Qu X. Reverzibilní B/Z-DNA přechod za podmínek s nízkým obsahem soli a selektivity bez B-formy polydApolydT komplexem europium-L-asparagová kyselina podobný kubánu  .)  // Biofyzikální časopis : deník. - 2006. - Sv. 90 , č. 9 . - S. 3203-3207 . - doi : 10.1529/biophysj.105.078402 . — . — PMID 16473901 . Archivováno z originálu 12. října 2008.
14. ↑ Ho PS, Ellison MJ, Quigley GJ, Rich A. Počítačem podporovaný termodynamický přístup pro predikci tvorby Z-DNA v přirozeně se vyskytujících sekvencích  // EMBO  Journal : deník. - 1986. - Sv. 5 , č. 10 . - str. 2737-2744 . — PMID 3780676 .
15. ↑ 1 2 Champ PC, Maurice S., Vargason JM, Camp T., Ho PS Distribuce Z-DNA a jaderného faktoru I v lidském chromozomu 22: model pro sdruženou regulaci transkripce  // Nucleic Acids Res  . : deník. - 2004. - Sv. 32 , č. 22 . - S. 6501-6510 . doi : 10.1093 / nar/gkh988 . — PMID 15598822 .
16. ↑ Paul Bloom. Archaea: Starověcí mikrobi, extrémní prostředí a původ života. - Academic Press, 2001. - Sv. 50. - S. 206. - (Pokroky v aplikované mikrobiologii).
17. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , str. 93-94.
18. ↑ Rich A., Zhang S. Časová osa: Z-DNA: dlouhá cesta k biologické funkci  //  Nature Review Genetics : journal. - 2003. - Sv. 4 , ne. 7 . - str. 566-572 . doi : 10.1038 / nrg1115 . — PMID 12838348 .
19. ↑ Herbert A., Rich A. Metoda identifikace a charakterizace Z-DNA vazebných proteinů pomocí lineárního oligodeoxynukleotidu   // Nucleic Acids Res : deník. - 1993. - Sv. 21 , č. 11 . - str. 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. Vazebná doména Z-DNA přítomná v lidském editačním enzymu, dvouvláknové RNA adenosindeamináze   Proceedings//  : journal. - 1997. - Sv. 94 , č. 16 . - S. 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 doména z lidského ADAR1 se váže na Z-DNA konformer mnoha různých sekvencí  . )  / / Nucleic Acids Res : deník. - 1998. - Sv. 26 , č. 15 . - str. 2669-2672 . doi : 10.1093 / nar/26.15.3486 . — PMID 9671809 .
22. ↑ Schwartz T., Rould MA, Lowenhaupt K., Herbert A., Rich A. Krystalová struktura domény Zalpha lidského editačního enzymu ADAR1 vázané na levotočivou Z-DNA  //  Science : journal. - 1999. - Sv. 284 , č.p. 5421 . - S. 1841-1845 . - 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. Struktura roztoku domény Zalpha enzymu pro úpravu lidské RNA ADAR1 odhaluje předem umístěný vazebný povrch for Z-DNA  (anglicky)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 1999. - Sv. 96 , č. 22 . - S. 2465-2470 . - doi : 10.1073/pnas.96.22.12465 . - . — PMID 10535945 .
24. ↑ Herbert A., Rich A. Role vazebných domén pro dsRNA a Z-DNA při úpravě minimálních substrátů in vivo od ADAR1   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal . - 2001. - Sv. 98 , č. 21 . - S. 12132-12137 . - doi : 10.1073/pnas.211419898 . - . — PMID 11593027 .
25. ↑ Halber D. Vědci pozorují biologické aktivity „levoruké“ DNA . News Office MIT (11. září 1999). Datum přístupu: 29. září 2008. Archivováno z originálu 16. února 2013. (neurčitý)
26. ↑ Kim YG, Muralinath M., Brandt T., Pearcy M., Hauns K., Lowenhaupt K., Jacobs BL, Rich A.  Role vazby Z-DNA v patogenezi viru vakcínie  // Proceedings of the National Academy of Sciences Spojených států amerických  : časopis. - 2003. - Sv. 100 , č. 12 . - str. 6974-6979 . - doi : 10.1073/pnas.0431131100 . - . — PMID 12777633 .
27. ↑ Kim YG, Lowenhaupt K., Oh DB, Kim KK, Rich A. Důkaz, že faktor virulence vakcínie E3L se váže na Z-DNA in vivo: Důsledky pro vývoj terapie poxvirové infekce   // Proceedings of the National Academy of Sciences of Spojené státy americké  : časopis. - 2004. - Sv. 101 , č. 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. The Killing of African Trypanosomes by Ethidium Bromide  (anglicky)  // PLoS Pathogens  : journal. - 2010. - 16. prosince ( roč. 6 , č. 12 ). — P. e1001226 . - doi : 10.1371/journal.ppat.1001226 .
29. ↑ Sinden, Richard R. Struktura a funkce DNA  (neurčitá) . — 1. - Academic Press , 1994. - S. 398. - ISBN 0-126-45750-6 .
30. ↑ Rich A., Norheim A., Wang AHJ. Chemie a biologie levoruké Z-DNA  (anglicky)  // Annual Review of Biochemistry : deník. - 1984. - Sv. 53 , č. 1 . - str. 791-846 . - doi : 10.1146/annurev.bi.53.070184.004043 . — PMID 6383204 .
31. ↑ Ho PS Struktura non-B-DNA d(CA/TG)n se neliší od struktury Z-DNA   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 1994. - 27. září ( roč. 91 , č. 20 ). - S. 9549-9553 . - doi : 10.1073/pnas.91.20.9549 . - . — PMID 7937803 .

Literatura

• Konichev A.S., Sevastyanova G.A. Molekulární biologie. - Ediční centrum "Akademie", 2012. - 400 s. — ISBN 978-5-7695-9147-1 .
• David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehningerovy principy biochemie. — Páté vydání. — New York: WH Freeman and company, 2008. — 1158 s. - ISBN 978-0-7167-7108-1 .

Slovníky a encyklopedie	Britannica (online)