21 sätt ditt DNA kan se ut

Innehållsförteckning:

21 sätt ditt DNA kan se ut
21 sätt ditt DNA kan se ut
Anonim

Vi är vana vid att tänka på DNA som en dubbel helix - men det här är bara en av dess många former. Sedan Watson och Crick publicerade sin modell har mänskliga celler hittat en trippel och fyrdubblad DNA -helix, liksom kors, hårnålar och andra vävmönster - vissa är lättare att rita än att beskriva med ord.

Skiss idéer

Watson och Crick var inte de enda som funderade över 3D -modellen av DNA. De var inte ens de första. Bitar av biokemiska data kan användas för att konstruera en mängd olika molekylära former, och det fanns många alternativ.

Villkoren för problemet var desamma för alla. I början av 1953 var det redan klart hur nukleotiden fungerar:

  • resten av fosforsyra,
  • socker,
  • en av de kvävehaltiga baserna: adenin (A), guanin (G), tymin (T) eller cytosin (C).

Det var också känt att kvävehaltiga baser var spridda längs kedjan av en anledning: i vilken DNA -molekyl som helst var den totala mängden adeniner och guaniner strikt lika med mängden tyminer och cytosiner. Dessutom, i alla röntgenstrålar av Rosalind Franklin och Raymond Gosling, oavsett vilken bit av DNA som var präglat på dem, hade själva glödtråden samma tjocklek. Detta innebar att formen förblir oförändrad för någon nukleotidsekvens.

Från dessa inledande anteckningar sammanställde Linus Pauling och Robert Corey sin modell - en trippelspiral som strös med kvävehaltiga baser på alla sidor (biokemister har tilldelat fosfat och socker till rollen som en intern kärna). Denna design såg instabil ut: det var inte klart varför de negativt laddade fosfatgrupperna i spiralens mitt inte avstöt varandra.

Image
Image

DNA -struktur enligt Pauling och Corey

Bruce Fraser löste detta problem genom att vända strukturen ut och in: i sin version såg tre trådar ut med fosfater. De kvävehaltiga baserna vändes inåt, men Fraser kunde inte förklara hur de var anslutna.

Watson och Crick -modellen med en dubbel helix vriden åt höger var den mest stabila. Precis som Fraser placerade forskarna fosfaterna på utsidan och de kvävehaltiga baserna på insidan. Det fanns också en tydlig princip för deras motstånd i denna modell: A på en krets var alltid kopplad till T på en annan, och G - med C. Detta förklarade varför tjockleken på strukturen är stabil - paren AT och GC handlar om samma storlek.

Image
Image

Penna skiss av DNA -struktur av Francis Crick

Sedan fanns det andra försök att sätta ihop DNA till en ny form. Den nederländska biokemisten Karst Hoogsteen märkte till exempel att det är möjligt att ansluta samma par nukleotider med andra ansikten - så spiralen förblev också stabil, men den visade sig vara tunnare. Andra författare har avbildat DNA som en spiral med alternerande vänster och höger svängar, eller till och med som två dubbla spiraler som bildar en enda fyrdubbel. Och även om förekomsten av Watson-Crick-dubbelheliksen sedan dess har bekräftats många gånger, fortsätter människor på 2000-talet att spekulera i vad som bildar en DNA-sträng i en cell, där det är mycket svårare att se det än i ett test rör. Det är sant att ingen av de alternativa idéerna hittills har visat sig vara tillräckligt bra för att överge den klassiska högerhänta dubbelheliksen.

Watson och Crick gjorde mer än att bara lösa kontroversen om formen på DNA. Deras modell förklarade omedelbart hur denna form fungerar: en en-till-en-korrespondens gör varje tråd till en mall för den andra. Med bara en av kedjorna är det alltid möjligt att återställa den andra längs den - alla moderna modeller för överföring av genetisk information är baserade på denna princip.

Ändå visade sig de flesta "avvisade" idéerna vara korrekta på något sätt. I nästan 70 år av noggrann granskning av DNA har nästan alla möjliga typer av basanslutningar, andra spiraler och till och med en vänstersväng detekterats i det.

Rulla upp till fel ställe

Själva dubbelhelixen kan struktureras på olika sätt. Detta uppmärksammades av Rosalind Franklin, även om hon inte antog att det fanns en spiral framför henne, och till och med en dubbel. Under normala förhållanden, som liknade intracellulärt, hade DNA: t på biologens bilder en "lös" form, som Franklin kallade B-DNA. Men om luftfuktigheten i provröret sjönk under 75 procent var det resulterande A-DNA bredare och tätare.

Image
Image

A (vänster) och B (höger) former av DNA sett av Rosalind Franklin

Som det visade sig senare är A-DNA verkligen vriden tätare: det tar 10 nukleotider för att vända spiralen, och inte 11, som i B-DNA. Och de ligger inte vinkelrätt mot symmetriaxeln i spiralen, utan i en vinkel: om i B-DNA nukleotider brukar avbildas som horisontella linjer, i A-DNA ska de ritas snett.

Watson och Crick valde B-DNA som grund för sin modell och hade rätt. Senare visade det sig att B-varianten faktiskt förekommer i cellen mycket oftare, och nu anses den vara den huvudsakliga formen av DNA-existens, och alla avvikelser betecknas ofta med det allmänna uttrycket "icke-B-DNA".

Dessutom lever den riktiga dubbelhelixen nästan aldrig upp till sin idylliska modell. I levande system vrids B-DNA som regel något mer än vad Watson och Crick förutspådde, och det genomsnittliga antalet nukleotider per varv av en helix i den är inte 10 eller 11, utan cirka 10,5. Dessutom individuella par av nukleotider avviker ständigt från uppsättningen "horisontell" (detta kallas "propellervridning"), därför är spiralen aldrig helt jämn och jämn - här och där på sina sidor sticker grovheten ut: nukleotidernas ändar i olika vinklar.

Image
Image

"Propeller" vrider nukleotider i B-DNA

Senare visade det sig att spiralerna i spiralen inte bara kan ligga tätare eller mer avslappnade utan helt vrida moturs (till exempel spiralen i Evolution -tornet i Moskva, som tydligt symboliserar DNA -strängen, är vriden till vänster). Av en märklig slump är detta exakt den typ av DNA som sågs 1979, då det äntligen var möjligt att undersöka nukleinsyror med hög upplösning. Det var fortfarande en dubbel helix, men i en helt annan form: 12 nukleotider per varv, ännu tunnare än B-DNA och vriden inte till höger, utan till vänster. Fosfatgrupperna som sticker ut på ytan bildade inte en slät spiral, utan en sicksack, så den nya versionen kallades Z-formen.

Image
Image

A-DNA (vänster), B-DNA (i mitten), Z-DNA (höger)

Detta betydde naturligtvis inte att modellen Watson-Crick hade fel. Z -formen erhölls under ganska exotiska förhållanden - i en lösning med en hög koncentration av salter. Och i cellen erhålls den också från B-DNA endast under vissa omständigheter: till exempel när "spänningen" på kedjan är för hög och den måste släppas. Spänningen uppstår på grund av överdriven vridning: DNA-strängarna är redan inslagna i förhållande till varandra, men den dubbla helixen som bildas av dem snor sig runt lite protein (till exempel histon), så kallad supercoiling uppstår. Övergången till Z -formen hjälper till att lindra spänningar och varva ner onödiga svängar - och detta är i sin tur viktigt så att nya proteiner kan binda till DNA, till exempel polymeras under transkription.

Därför tar DNA ofta Z-formen under gentranskription. Ju mer Z-DNA det finns, desto mer aktiv är transkriptionen. Histoner kan inte binda till Z-DNA, så ingen stör polymeras för att göra sitt jobb. Och detta, förresten, används aktivt av tumörceller, där en vänsterhänt helix dyker upp i tid framför de gener de behöver.

Image
Image

Evolutionstornet (förgrunden) ser ut som vänsterhänt DNA

Sedan hittades andra former av dubbelhelixen. Beroende på fuktinnehåll, saltinnehåll och nukleotidsekvens i en viss region kan DNA vara ännu mer långsträckt (E-DNA) eller krympa (C- och D-DNA), inkludera metalljoner (M-DNA) eller sträckas ut så att fosfatgrupper (S-DNA) uppträder i mitten av spiralen istället för kvävehaltiga baser. Och efter att andra typer av intracellulärt DNA lades till i listan, såsom nukleärt N-DNA och rekombinant R-DNA (som dock ingick i denna lista inte på grund av deras form, utan position i cellen eller ursprunget), i det engelska alfabetet för DNA -varianterna är bokstäverna nästan slut. Den som bestämmer sig för att öppna någon mer icke-kanonisk form måste välja mellan fem fria: F, Q, U, V och Y.

Alfabetisk lista över DNA -former

  • A-DNA är dubbelsträngat, något tjockare än B.
  • B-DNA är det som Watson och Creek byggde.
  • C-DNA är dubbelsträngat, 9, 3 nukleotider per varv.
  • D-DNA är dubbelsträngat, smalt: 8 nukleotider per varv, innehåller många tyminer.
  • E-DNA är dubbelsträngat, ännu smalare: 15 nukleotider per två varv.
  • G-DNA är en fyrdubbla helix med guanintetrader.
  • H-DNA är en trippel helix.
  • I-DNA är två dubbla spiraler som hålls samman av attraktionen av deras cytosiner.
  • J-DNA är en annan trippel helix som bildas av AC-repetitioner.
  • K -DNA - DNA från trypanosomer, särskilt rikt på adeniner.
  • L-DNA- DNA baserat på L-deoxiribos (inte D- som vanligt).
  • M-DNA-B-DNA i ett komplex med tvåvärda metaller.
  • N-DNA är kärn-DNA.
  • O-DNA är startpunkten för DNA-fördubbling i bakteriofag λ.
  • P-DNA är Pauling-Corey triple helix.
  • R -DNA - rekombinant DNA (erhållet genom insättning av ett främmande fragment).
  • S-DNA är dubbelsträngat, långsträckt 1,6 gånger starkare än B-formen.
  • T-DNA-liknande D-formen, som finns i T2-bakteriofagen.
  • W-DNA är synonymt med Z-DNA.
  • X-DNA är en dubbelsträngad helix som bildas av AT-upprepningar.
  • Z-DNA är dubbelsträngat, vänsterhänt.

Ta tag i greppet

Förutom alla typer av dubbla spiralformer och sätt att väva det, bryts DNA ibland ner i enskilda trådar, som formas till hårnålar, kors och andra dubbelsträngade former. Det händer också att en redan befintlig dubbel helix växer över med nya grannar.

1985 visade det sig att Pauling och Corey hade rätt för trettio år sedan: DNA triple helix (H-DNA) finns. Det är dock inte alls ordnat som de förväntat sig. I en sann trippelhelix är två kedjor anslutna på vanligt Watson-Crick-sätt, och den tredje ansluter dem i sidled och ligger i ett stort spår mellan kedjorna. I detta fall är de kvävehaltiga baserna i den tredje, extra tråden anslutna till huvudparen inte på det klassiska sättet, utan som från sidan - av själva bindningarna som Karst Hoogsteen förutsäger. Även han hade på sätt och vis rätt.

Trippelhelixen, som många alternativa former av DNA, uppstår också som svar på supercoiling av strängen. Till skillnad från Z-formen stöder den dock inte transkription, utan tvärtom stör den. RNA -polymeras, som vanligtvis väver två strängar framför sig själv, klarar inte alltid av att separera triplexen. Därför, om en trippel helix bildas i en gen eller dess reglerande regioner, fungerar den sämre än andra.

Image
Image

Varianter av bildandet av en trippel helix. Watson-Crick-paren är markerade med svart, den extra tredje nukleotiden markeras

Det händer också att inte två eller inte tre, utan fyra DNA -strängar är anslutna samtidigt. För att detta ska hända måste fyra guaninnukleotider mötas på ett ställe - det spelar ingen roll om de är på två strängar av samma sträng eller på fyra olika strängar som inte är anslutna till varandra. Varje guanin bildar ett icke-klassiskt, Hoogsteen-par med två grannar, och tillsammans bildar de en fyrkantig guanintetrad. Om det finns bredvid dem andra guaniner som kan skapa en kvadrat, bildas en stapel av dem - en stapel som rymmer fyra DNA -strängar bredvid den.

Image
Image

Guanine tetrad (överst) och alternativ för arrangemang av kedjor i quadruplex (botten)

Alla 30 år som har gått sedan quadruplexen upptäcktes växer antalet processer som de är involverade på något sätt. Mer än tvåhundra proteiner är redan kända som selektivt kan känna igen guanintetrader - de senare spelar förmodligen rollen som ett slags genetisk markering, ett annat sätt att reglera förpackning och transkription av gener. Till exempel finns de ofta i promotorer (regleringsregioner från vilka transkription startar) av olika gener. På senare tid har forskare till och med lyckats urskilja olika typer av bröstcancer genom uppsättningar av fyrdubbla komplex - vilket i sin tur berodde på vilka gener i tumörceller som var överaktiva.

Ju längre vi tittar på DNA-molekylen, desto mer märker vi avvikelser från den sedan länge välkända modellen. Den dubbla helixen är inte den enda och inte den slutliga strukturen av DNA, utan bara en (om än den vanligaste) av de poser som den tar i en kontinuerlig dans. Genom att följa nukleotidsekvensens dikter drar DNA -strängen ihop sig och expanderar, böjer, vrider sig och antar oändligt många (vackra) former. Ingen av dem är slutgiltiga: alternativa DNA-strukturer förvandlas till varandra, tävlar med B-formen och med varandra, lyder signalerna från cellulära proteiner och styr själva sitt arbete.

Hitta och led

Icke-kanoniska former av DNA, för all sin mångfald, förekommer inte på slumpmässiga platser. Stabilitet ges dem av en viss uppsättning nukleotider i deras sammansättning, därför förekommer de endast i de delar av kedjan där det finns en "bekväm" sekvens för dem.

Så till exempel finns det vissa regioner i DNA som är särskilt villiga att vika sig till en sicksack. Detta är de platser där G-C-par växlar: efter en vänster sväng i dem tar varannan nukleotid en "oregelbunden" form, därav den brutna profilen för hela Z-formen. Det betyder att sekvenser som tenderar att ta Z -formen kan hittas direkt i texten - om du ser HZGZGZGZHZHZ är det osannolikt att du gör fel. Så i ett arbete räknade de till exempel 391 sådana regioner i det mänskliga genomet.

De platser där trippelhelixen kan bildas kan också kännas igen av den karakteristiska nukleotidsekvensen. Den tredje kedjan är ansluten antingen enligt komplementaritetsprincipen - det vill säga ytterligare ett G läggs till G -C -paret och bildar G -C * G - eller "till sitt eget" - och det visar sig G * G -C. Därför sker en sådan konstruktion ofta på de platser av DNA där flera identiska (till exempel YYYYG) eller kemiskt liknande (AGGAAG) nukleotider går i rad och där de bildar palindromiska (spegel) upprepningar.

På samma sätt kan quadruplexers utseende förutses från DNA -texten. Enligt resultaten av endast en sekvensering (faktiskt direkt översättning av DNA till bokstäver) hittades mer än 700 tusen av dem i det mänskliga genomet. Inte alla kommer sannolikt att hittas in vivo - för detta måste motsvarande DNA -strängar vara nära vid ett tillfälle i den komplexa cellkärnan - detta kan dock innebära att de fyra -spiralformade strukturerna har någon specifik roll i livet av cellen.

Bildandet av alternativa former av DNA gynnar inte alltid cellen: de flesta av dem är mycket mindre hållbara än vanligt B-DNA och går sönder mycket oftare. Därför blir sekvenser som tenderar att bilda icke-B-former platser för genetisk instabilitet och ökad mutagenes. Vissa forskare ser detta som evolutionens motor - om sådana regioner förekommer i gener som är associerade med utvecklingen av en organism. Andra skyller alternativa former av DNA för alla typer av sjukdomar som är förknippade med slumpmässiga mutationer och omorganisationer i genomet - från tumörer till schizofreni och autism.

Det visar sig att DNA inte bara innehåller information om strukturen hos cellulära proteiner och RNA, utan också vilka former denna information kan ta, förutom Watson-Crick-standarden. Och dessa former avgör i sin tur vad som händer med denna information: om cellen kan inse den eller genen, kommer att vara för evigt tyst, eller till och med bryta ner helt och ge upphov till ytterligare mutationer.

Vi kommer förmodligen att lära oss en dag att störa denna process - vi kan till exempel bygga en kedja av nukleotider som skulle efterlikna den tredje strängen i spiralen och "glida" den vid rätt tidpunkt på rätt plats för att blockera arbetet med någon oönskad gen i cellen. Det fanns ännu djärvare förslag - att använda trippelspiralen för riktad genomredigering: introducera en nukleotid i cellen som kan bilda en trippelspiral med mål -DNA -regionen och få reparationssystemet att ersätta denna region med en "frisk" variant från en annan kromosom.

Och medan vi bara lär oss detta, återstår det att känna igen DNA -strukturen som en annan typ av information - förutom genetisk (nukleotid "text") och epigenetisk (tillgänglighet av gener för läsning) - som bär vårt genom. Och vi måste fortfarande lära oss att arbeta med det, påverka innehållet genom formuläret, eller vice versa.

Rekommenderad: