21 maniere waarop u DNA kan lyk

INHOUDSOPGAWE:

21 maniere waarop u DNA kan lyk
21 maniere waarop u DNA kan lyk
Anonim

Ons is gewoond daaraan om DNA as 'n dubbele heliks te beskou - maar dit is slegs een van sy vele vorme. Sedert Watson en Crick hul model gepubliseer het, het menslike selle 'n drievoudige en viervoudige DNA -heliks gevind, asook kruise, haarspelde en ander weefpatrone - sommige is makliker om te teken as om in woorde te beskryf.

Skets idees

Watson en Crick was nie die enigste wat na die 3D -model van DNA kyk nie. Hulle was nie eers die eerste nie. Stukkies biochemiese data kan gebruik word om 'n verskeidenheid molekulêre vorms op te stel, en daar was baie opsies.

Die toestande van die probleem was dieselfde vir almal. Aan die begin van 1953 was dit reeds duidelik hoe die nukleotied werk:

  • die res van fosforsuur,
  • suiker,
  • een van die stikstofhoudende basisse: adenien (A), guanien (G), timien (T) of sitosien (C).

Dit was ook bekend dat stikstofbase om 'n rede oor die ketting versprei was: in enige DNA -molekule was die totale hoeveelheid adeniene en guaniene streng gelyk aan die hoeveelheid timiene en sitosiene. Boonop het die filament self dieselfde dikte gehad in alle röntgenfoto's van Rosalind Franklin en Raymond Gosling, ongeag watter stuk DNA daarop aangebring is. Dit het beteken dat die vorm onveranderd bly vir enige nukleotiedvolgorde.

Uit hierdie inleidende aantekeninge het Linus Pauling en Robert Corey hul model saamgestel - 'n drievoudige helix wat met stikstofbase aan alle kante borsel (biochemici het fosfaat en suiker aan die rol van 'n interne kern toegewys). Hierdie ontwerp het onstabiel gelyk: dit was nie duidelik waarom die negatief gelaaide fosfaatgroepe in die middel van die spiraal mekaar nie afweer nie.

Image
Image

DNA -struktuur volgens Pauling en Corey

Bruce Fraser het hierdie probleem opgelos deur die struktuur na binne te draai: in sy weergawe kyk drie drade met fosfate uit. Die stikstofhoudende basisse is na binne gedraai, maar Fraser kon nie verduidelik hoe dit met mekaar verbind is nie.

Die Watson en Crick -model met 'n dubbele heliks wat na regs gedraai is, was die stabielste. Net soos Fraser het die wetenskaplikes die fosfate aan die buitekant en die stikstofbase aan die binnekant geplaas. Daar was ook 'n duidelike beginsel van hul teenkanting in hierdie model: A op een stroombaan was altyd verbind met T op 'n ander, en G - met C. Dit verduidelik waarom die dikte van die struktuur stabiel is - die pare AT en GC is ongeveer dieselfde grootte.

Image
Image

Potloodskets van DNA -struktuur deur Francis Crick

Dan was daar ander pogings om DNA weer in 'n nuwe vorm te versamel. Die Nederlandse biochemikus Karst Hoogsteen het byvoorbeeld opgemerk dat dit moontlik is om dieselfde pare nukleotiede met ander vlakke te verbind - dus bly die heliks ook stabiel, maar dit blyk dunner te wees. Ander skrywers het DNA uitgebeeld as 'n spiraal met afwisselende linker- en regterdraaie, of selfs as twee dubbele helices wat 'n enkele viervoud vorm. En hoewel die bestaan van die Watson-Crick-dubbelspiraal sedertdien baie keer bevestig is, spekuleer mense in die 21ste eeu steeds oor die vorming van 'n DNA-string in 'n sel, waar dit baie moeiliker is om dit te sien as in 'n toets buis. Nie een van die alternatiewe idees tot dusver was goed genoeg om die klassieke regshandige dubbele heliks te laat vaar nie.

Watson en Crick het meer gedoen as om net die geskil oor die vorm van DNA op te los. Hulle model het onmiddellik verduidelik hoe hierdie vorm werk: 'n een-tot-een-korrespondensie maak van elke draad 'n sjabloon vir die ander. Met slegs een van die kettings, is dit altyd moontlik om die tweede langsaan te herstel - alle moderne modelle vir die oordrag van genetiese inligting is gebaseer op hierdie beginsel.

Nietemin, die meeste van die 'verwerpte' idees blyk op een of ander manier korrek te wees. Vir byna 70 jaar van noukeurige ondersoek van DNA, is byna alle moontlike soorte basisverbindings, ander spirale en selfs 'n linker draai daarin opgespoor.

Rol op na die verkeerde plek

Die dubbele heliks self kan op verskillende maniere gestruktureer word. Dit het Rosalind Franklin opgemerk, alhoewel sy nie aangeneem het dat daar 'n spiraal voor haar was nie, en selfs 'n dubbele. Onder normale omstandighede, wat soos intrasellulêr lyk, het die DNA op die foto's van die bioloog 'n "los" vorm, wat Franklin B-DNA genoem het. Maar as die humiditeit in die reageerbuis onder 75 persent val, was die gevolglike A-DNA wyer en digter.

Image
Image

A (links) en B (regs) vorme van DNA soos gesien deur Rosalind Franklin

Soos later geblyk het, word A-DNA regtig stywer gedraai: dit neem 10 nukleotiede om die heliks te draai, en nie 11 nie, soos in B-DNA. En hulle is nie loodreg op die simmetrie-as van die spiraal geleë nie, maar skuins: as in B-DNA nukleotiede gewoonlik as horisontale lyne uitgebeeld word, moet hulle in A-DNA skuins geteken word.

Watson en Crick het B-DNA as basis vir hul model gekies en was reg. Later het dit geblyk dat die B-variant eintlik veel meer gereeld in die sel voorkom, en nou word dit beskou as die belangrikste vorm van DNA-bestaan, en alle afwykings word dikwels aangedui deur die algemene term "nie-B DNA".

Boonop voldoen die regte dubbele heliks amper nooit aan sy idilliese model nie. In lewende stelsels word B-DNA in die reël effens meer gedraai as wat Watson en Crick voorspel het, en die gemiddelde aantal nukleotiede per draai van 'n heliks daarin is nie 10 of 11 nie, maar ongeveer 10,5. van nukleotiede wyk voortdurend af van die stel "horisontaal" (dit word "skroefdraai" genoem), daarom is die spiraal nooit absoluut glad en egalig nie - hier en daar steek ruwheid uit: die punte van nukleotiede in verskillende hoeke.

Image
Image

'Propeller' draai van nukleotiede in B-DNA

Later het dit geblyk dat die spirale van die spiraal nie net strenger of meer ontspanne kan lê nie, maar heeltemal linksom kan draai (byvoorbeeld, die spiraal van die Evolusie -toring in Moskou, wat die DNA -string duidelik simboliseer, word na links gedraai). By 'n vreemde toeval is dit presies die soort DNA wat in 1979 gesien is, toe dit uiteindelik moontlik was om nukleïensure met 'n hoë resolusie te ondersoek. Dit was nog steeds 'n dubbele heliks, maar in 'n heeltemal ander vorm: 12 nukleotiede per beurt, selfs dunner as B-DNA en nie na regs nie, maar na links gedraai. Die fosfaatgroepe wat op die oppervlak uitsteek, vorm nie 'n gladde spiraal nie, maar 'n zigzag, en daarom word die nuwe weergawe die Z-vorm genoem.

Image
Image

A-DNA (links), B-DNA (middel), Z-DNA (regs)

Dit beteken natuurlik nie dat die Watson-Crick-model verkeerd was nie. Die Z -vorm is verkry onder taamlik eksotiese toestande - in 'n oplossing met 'n hoë konsentrasie soute. En in die sel word dit ook slegs onder sekere omstandighede uit B-DNA verkry: byvoorbeeld wanneer die "spanning" op die ketting te hoog is en dit moet vrygestel word. Die spanning verskyn as gevolg van oormatige draai: die DNA-stringe is reeds relatief tot mekaar toegedraai, maar die dubbele heliks wat daardeur gevorm word, draai om 'n bietjie proteïen (byvoorbeeld histoon), sogenaamde supercoiling vind plaas. Die oorgang na die Z -vorm help om spanning te verlig en onnodige draaie te ontspan - en dit is op sy beurt belangrik sodat nuwe proteïene tydens transkripsie kan bind aan DNA, byvoorbeeld polimerase.

Daarom neem DNA dikwels die Z-vorm aan tydens gentranskripsie. Boonop, hoe meer Z-DNA daar is, hoe meer aktief is die transkripsie. Histone kan nie aan Z-DNA bind nie, sodat niemand inmeng met polimerase om hul werk te doen nie. En dit word terloops aktief gebruik deur gewasselle, waarin 'n linkshandige heliks betyds verskyn voor die gene wat hulle benodig.

Image
Image

Die Evolusietoring (voorgrond) lyk soos linkshandige DNA

Toe is ander vorme van die dubbele heliks gevind. Afhangende van die voginhoud, soutinhoud en nukleotiedvolgorde in 'n spesifieke gebied, kan DNA selfs langer word (E-DNA) of krimp (C- en D-DNA), metaalione (M-DNA) insluit of uitgerek word sodat fosfaatgroepe (S-DNA) in plaas van stikstofbase in die middel van die heliks verskyn. En nadat ander tipes intrasellulêre DNA by die lys gevoeg is, soos kern-N-DNA en rekombinante R-DNA (wat egter nie vanweë hul vorm, maar posisie in die sel of oorsprong in hierdie lys ingesluit is) die Engelse alfabet vir die DNA -variante, is die letters amper uit. Almal wat besluit om 'n meer nie-kanonieke vorm oop te maak, moet uit vyf gratis vorms kies: F, Q, U, V en Y.

Alfabetiese lys van DNA -vorms

  • A-DNA is dubbelstrengs, effens dikker as B.
  • Die B-DNA is die een wat Watson en Creek gebou het.
  • C-DNA is dubbelstrengs, 9, 3 nukleotiede per beurt.
  • D-DNA is dubbelstrengs, smal: 8 nukleotiede per beurt, bevat baie timiene.
  • E-DNA is dubbelstrengs, selfs smaller: 15 nukleotiede per twee draaie.
  • G-DNA is 'n viervoudige heliks met guanine tetrads.
  • H-DNA is 'n drievoudige heliks.
  • I-DNA is twee dubbele helices wat bymekaar gehou word deur die aantrekkingskrag van hul sitosiene.
  • J-DNA is nog 'n drievoudige heliks wat gevorm word deur AC herhalings.
  • K -DNA - DNA van trypanosome, veral ryk aan adeniene.
  • L-DNA- DNA gebaseer op L-deoksiribose (nie D- soos gewoonlik nie).
  • M-DNA-B-DNA in 'n kompleks met tweewaardige metale.
  • N-DNA is kern-DNA.
  • O-DNA is die beginpunt van DNA-verdubbeling in bakteriofaag λ.
  • P-DNA is die Pauling-Corey triple helix.
  • R -DNA - rekombinante DNA (verkry deur die invoeging van 'n vreemde fragment).
  • S-DNA is dubbelstrengs, verleng 1.6 keer sterker as die B-vorm.
  • T-DNA-soortgelyk aan die D-vorm, gevind in die T2-bakteriofag.
  • W-DNA is sinoniem met Z-DNA.
  • X-DNA is 'n dubbelstrengs heliks wat gevorm word deur AT herhalings.
  • Z-DNA is dubbelstrengs, linkshandig.

Kry in die greep

Benewens allerhande dubbele heliksvorme en weefmetodes, breek DNA soms af in individuele stringe, wat vorm in haarspelde, kruise en ander dubbelstrengige vorms. Dit gebeur ook dat 'n reeds bestaande dubbele heliks toegegroei is met nuwe bure.

In 1985 het dit geblyk dat Pauling en Corey dertig jaar gelede reg was: die DNA triple helix (H-DNA) bestaan. Dit word egter glad nie gereël soos hulle verwag het nie. In 'n ware drievoudige heliks is twee kettings op die standaard Watson-Crick-manier verbind, en die derde grens langs hulle, wat in 'n groot groef tussen die kettings lê. In hierdie geval is die stikstofbasisse van die derde, bykomende draad verbind met die hoofpare nie op die klassieke manier nie, maar asof van die kant af - deur die bindings wat Karst Hoogsteen voorspel. Hy was ook op 'n manier reg.

Die drievoudige heliks ontstaan, net soos baie alternatiewe vorme van DNA, ook as reaksie op die superkoeling van die string. Anders as die Z-vorm, ondersteun dit egter nie transkripsie nie, maar dit inteendeel inmeng. RNA -polimerase, wat gewoonlik twee stringe voor homself uitweef, kan nie altyd die triplex skei nie. As 'n drievoudige heliks in 'n geen of sy regulatoriese streke gevorm word, werk dit dus erger as ander.

Image
Image

Variante van die vorming van 'n drievoudige heliks. Watson-Crick-pare word in swart aangedui, die ekstra derde nukleotied word uitgelig

Dit gebeur ook dat nie twee of nie drie nie, maar vier DNA -stringe gelyktydig verbind is. Om dit te kan doen, moet vier guanienukleotiede op een plek bymekaarkom - dit maak nie saak of hulle op twee stringe van dieselfde string is nie, of op vier verskillende stringe wat nie met mekaar verbind is nie. Elke guanine vorm 'n nie-klassieke, Hoogsteen-paar met twee bure, en saam vorm hulle 'n vierkantige guaninetetrad. As daar langs hulle ander guanines is wat 'n vierkant kan skep, word daar 'n stapel gevorm - 'n stapel wat vier DNA -stringe daarby hou.

Image
Image

Guanine tetrad (bo) en opsies vir die rangskikking van kettings in die quadruplex (onder)

Al die 30 jaar wat verloop het sedert die ontdekking van kwadrupleks, neem die aantal prosesse waarin dit op een of ander manier betrokke is, toe. Daar is reeds meer as tweehonderd proteïene bekend wat guanine tetrads selektief kan herken - laasgenoemde speel waarskynlik die rol van 'n soort genetiese opmaak, 'n ander manier om die verpakking en transkripsie van gene te reguleer. Byvoorbeeld, hulle word dikwels aangetref in promotors (regulatoriese streke waaruit transkripsie begin) van verskillende gene. Meer onlangs het wetenskaplikes selfs daarin geslaag om verskillende tipes borskanker te onderskei deur middel van kwadrupleks - wat weer afhang van watter gene in gewasselle ooraktief was.

Hoe verder ons na die DNA-molekule kyk, hoe meer sien ons afwykings van die model wat al lank bekend is. Die dubbele heliks is nie die enigste en nie die finale struktuur van DNA nie, maar slegs een (hoewel die algemeenste) van die posisies wat dit in 'n deurlopende dans neem. Deur die voorskrifte van die nukleotiedvolgorde te gehoorsaam, trek die DNA -string saam en brei uit, buig, draai en neem 'n oneindige aantal (pragtige) vorme aan. Nie een van hulle is finaal nie: alternatiewe DNA-strukture verander in mekaar, kompeteer met die B-vorm en met mekaar, gehoorsaam die seine van sellulêre proteïene en rig hul werk self.

Soek en lei

Nie-kanonieke vorme van DNA, vir al hul diversiteit, kom nie op ewekansige plekke voor nie. 'N Sekere stel nukleotiede in hul samestelling gee hulle stabiliteit, daarom verskyn dit slegs in die dele van die ketting waar 'n' gerieflike 'reeks vir hulle bestaan.

Daar is byvoorbeeld sekere streke in die DNA wat veral bereid is om in 'n zigzag te vou. Dit is die plekke waar G-C-pare mekaar afwissel: na 'n linker draai hierin neem elke tweede nukleotied 'n "onreëlmatige" vorm aan, vandaar die gebroke profiel van die hele Z-vorm. Dit beteken dat rye wat die Z -vorm aanneem, regs in die teks gevind kan word - as u HZGZGZGZHZHZ sien, is dit onwaarskynlik dat u verkeerd gaan. In een werk het hulle byvoorbeeld 391 sulke streke in die menslike genoom getel.

Die plekke waar die drievoudige heliks kan vorm, kan ook herken word aan die kenmerkende nukleotiedvolgorde. Die derde ketting word óf volgens die beginsel van komplementariteit geheg - dit wil sê, 'n ander G word by die G -C -paar gevoeg, wat G -C * G vorm - óf 'aan sy eie' - en dit blyk uit G * G -C. Daarom vind so 'n konstruksie dikwels plaas op die plekke van DNA waar verskeie identiese (byvoorbeeld JJJJ) of chemies soortgelyke (AGGAAG) nukleotiede in 'n ry gaan en waar dit palindromiese (spieël) herhalings vorm.

Op dieselfde manier kan die voorkoms van quadruplexes uit die DNA -teks voorspel word. Volgens die resultate van slegs een volgorde (eintlik direkte vertaling van DNA in letters), is meer as 700 duisend daarvan in die menslike genoom gevind. Dit word waarskynlik nie almal in vivo aangetref nie - hiervoor moet die ooreenstemmende DNA -stringe op 'n stadium in die komplekse selkern naby wees - dit kan egter beteken dat die vierheliese strukture 'n spesifieke rol in die lewe speel. van die sel.

Die vorming van alternatiewe vorme van DNA bevoordeel nie altyd die sel nie: die meeste van hulle is baie minder duursaam as gewone B-DNA, en breek baie meer gereeld. Daarom word rye wat geneig is om nie-B-vorms te vorm, plekke van genetiese onstabiliteit en verhoogde mutagenese. Sommige navorsers beskou dit as die motor van evolusie - as sulke streke voorkom in gene wat verband hou met die ontwikkeling van 'n organisme. Ander blameer alternatiewe vorme van DNA vir allerhande siektes wat verband hou met ewekansige mutasies en herrangskikkings in die genoom - van gewasse tot skisofrenie en outisme.

Dit blyk dat DNS nie net die Watson-Crick-standaard, inligting bevat oor die struktuur van sellulêre proteïene en RNA nie, maar ook watter vorme hierdie inligting kan aanneem. En hierdie vorme bepaal op hul beurt wat met hierdie inligting gebeur: of die sel dit kan besef of die geen, sal vir ewig stil wees, of selfs heeltemal afbreek, wat tot verdere mutasies kan lei.

Ons sal waarskynlik eendag leer om met hierdie proses in te meng - ons kan byvoorbeeld 'n ketting nukleotiede bou wat die derde string in die heliks naboots en dit op die regte tyd op die regte plek kan "gly" om die werk van 'n ongewenste geen in die sel. Daar was selfs sterker voorstelle - om die triple helix te gebruik vir doelgerigte genoomredigering: voer 'n nukleotied in die sel in wat 'n triple helix met die doel -DNA -streek kan vorm en die herstelstelsel kan veroorsaak dat hierdie gebied vervang word deur 'n 'gesonde' variant van 'n ander chromosoom.

En terwyl ons dit net leer, bly dit om die struktuur van DNA te erken as 'n ander tipe inligting - benewens genetiese (nukleotied "teks") en epigenetiese (beskikbaarheid van gene vir lees) - wat ons genoom dra. En ons moet nog leer hoe om daarmee te werk, die inhoud deur die vorm te beïnvloed, of omgekeerd.

Aanbeveel: