Z-ADN

Z-DNA  - una dintre numeroasele structuri posibile ale ADN -ului dublu helix , este un dublu helix stângaci (spre deosebire de dreapta, ca cea mai comună formă de B-ADN ). Z-DNA este una dintre cele trei structuri de dublu helix biologic active ale ADN-ului, împreună cu A-DNA și B-ADN, deși funcțiile sale exacte nu au fost încă determinate [1] .

Istoria studiului

ADN-ul stângaci a fost descoperit pentru prima dată de Robert Wells și colegii săi în timp ce studiau un polimer format din repetări de inozină - citozină [2] . Ei au observat dicroismul circular „invers” în astfel de ADN, din care au concluzionat corect că lanțurile sale se înfășoară unul în jurul celuilalt în direcția spre stânga. Ulterior, structura cristalină a Z-ADN a fost publicată, unde analiza de difracție cu raze X a arătat că este primul fragment de ADN monocristal ( hexamer ADN auto -complementar d(CG) 3 ). S-a descoperit că Z-DNA este o dublă helix de ADN stângacă a două catene antiparalele legate prin legături între perechi de baze azotate . Această lucrare a fost realizată de Andrew Wang  , Alexander Rich și colaboratorii lor de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts [3] .

În 1970, s-a demonstrat că cea mai comună formă B a ADN-ului poate fi convertită în forma Z. În acest experiment, sa demonstrat că dicroismul circular al polimerului (dG-dC) în razele ultraviolete într-o soluție de NaCl 4M s-a schimbat în exact opusul [4] . Faptul că în timpul acestei tranziții forma B a trecut în forma Z a fost confirmat de rezultatele spectroscopiei Raman [5] . Cristalizarea joncțiunii B- și Z-ADN efectuată în 2005 [6] a oferit o mai bună înțelegere a rolului potențial pe care Z-ADN-ul îl joacă în celulă . Oriunde există segmente de forme Z-ADN, trebuie să existe și joncțiuni B-Z la capete, legând forma Z de forma B găsită în restul genomului .

În 2007, versiunea ARN a ADN-ului Z a fost descrisă ca o formă transformată a helixului A-ARN dublu drept într-un helix stâng [7] . Tranziția de la A-ARN la Z-ARN a fost însă deja descrisă în 1984 [8] .

Structura

Z-ADN diferă semnificativ de formele dreptaci. Z-DNA este stângaci și are o structură primară care se repetă la fiecare 2 perechi de baze. Există 12 perechi de baze pe tură a helixului. Spre deosebire de ADN-ul și ADN-ul B, în ADN-ul Z, șanțul major este puțin distins, șanțul minor este îngust și profund [9] . În general, structura ADN-ului Z este nefavorabilă din punct de vedere energetic, deși anumite condiții pot activa formarea acestuia, cum ar fi: secvențe alternante purină - pirimidină (în special poli(dGC) 2 ), supraînfăşurarea negativă a ADN-ului , conținut ridicat de sare și unii cationi ( toate la temperatura fiziologica  - 37 °C si pH 7,3-7,4). Z-DNA se poate combina cu B-ADN într-o structură care duce la deplasarea perechilor de baze (vezi Fig.) [10] .

O altă caracteristică a Z-ADN este alternanța conformațiilor resturilor de nucleotide . Deoxicitidina este în conformația standard: zahărul este în conformația C2'-endo (vezi figura), iar baza  este în conformația anti- (adică baza este întoarsă în direcția opusă grupei hidroxil la a cincea atom de carbon ; bazele din lanțul polinucleotidic sunt în această poziție [11] ). În deoxiguanozină , zahărul se află în conformația C3’-endo , iar baza are o conformație sin -extrem atipică [12] .

Stivuirea bazelor în Z-DNA are noi proprietăți care sunt unice pentru această formă. Astfel, interacțiunile de stivuire există doar între resturile de citozină ale lanțurilor opuse, în timp ce resturile de guanină nu interacționează deloc între ele [1] .

Fosfații din Z-ADN nu sunt echivalenti între ei și sunt la distanțe diferite de axa helixului; pentru nucleotidele de guanină această distanță este de 0,62 nm , iar pentru nucleotidele de citozină este de 0,76 nm. În același timp, zaharurile învecinate „arata” în direcții opuse și, din această cauză, linia care leagă succesiv atomii de fosfor din lanț devine în zigzag (de unde și denumirea Z-DNA) [1] .

Structura ADN-ului Z este dificil de studiat, deoarece există cu greu într-o formă stabilă de dublă helix. Dimpotrivă, helixul Z-ADN din stânga este o structură temporară care apare ca urmare a activității biologice și dispare rapid [13] .

Tranziția de la B-ADN la Z-ADN

După cum sa menționat deja, formele B și Z pot trece una în cealaltă. Acest lucru apare atunci când puterea ionică a soluției se modifică sau concentrația de cationi care neutralizează sarcina negativă a scheletului fosfodiester. În același timp, nu este nevoie de separarea lanțului pentru tranziție, aceasta este inițiată prin ruperea legăturilor de hidrogen în mai multe perechi de baze, după care guanina este fixată în sin -conformația, legăturile de hidrogen sunt restaurate și bazele din nou. formează perechi Watson-Crick . Zona de tranziție se deplasează în spirală sub forma unei bucle [1] .

Predicția structurii Z-ADN

În prezent, este posibil să se prezică o secvență ADN plauzibilă sub formă de ADN-Z. Un algoritm pentru prezicerea înclinației ADN-ului de a rearanja de la forma B la forma Z, ZHunt , a fost scris în 1984 de Dr. P. Shing Ho de la Massachusetts Institute of Technology [14] . Mai târziu, acest algoritm a fost dezvoltat de Tracey Camp și colegii săi pentru a determina locurile formării Z-ADN în întregul genom [15] .

Algoritmul ZHunt este disponibil la Z-Hunt online .

Semnificație biologică

Z-ADN a fost găsit la reprezentanți ai tuturor celor trei domenii ale vieții: arhaea (în special, haloarchaea [16] ), bacterii și eucariote [9] . Până în prezent, funcțiile biologice clare ale ADN-ului Z nu au fost determinate, cu toate acestea, este probabil implicat în reglarea expresiei genelor la nivelul transcripției . Într-adevăr, este cunoscut în mod sigur că secvența dm5 -dG, care în condiții fiziologice este sub formă de Z-ADN, este asociată cu reglarea expresiei genelor la eucariote. Această reglare poate fi mediată de supraînfăşurare , legarea de proteine ​​specifice ADN-Z , anumiţi cationi , cum ar fi spermidină , şi metilarea deoxicitidinei [17] .

Presupunerea conform căreia Z-ADN asigură superînfăşurarea ADN-ului în timpul transcripţiei [6] [18] este susţinută de faptul că potenţialul de formare a formelor Z se găseşte la locurile implicate în transcripţia activă. S-a arătat o relație între situsurile de formare a ADN-Z în genele celui de-al 22-lea cromozom uman și situsurile de începere a transcripției cunoscute pentru acestea [15] .

Z-ADN se formează după începerea transcripției. Primul domeniu care se leagă de Z-ADN și are o afinitate mare pentru acesta a fost găsit în enzima ADAR1 (adenozin deaminaza specifică ARN) [19] [20] (acest domeniu a fost numit domeniul Z-alfa ). Studiile cristalografice și de rezonanță magnetică nucleară au confirmat că acest domeniu se leagă de Z-ADN indiferent de secvența sa de nucleotide [21] [22] [23] . Regiuni similare au fost găsite în unele alte proteine ​​omoloage cu ADAR1 [20] . Identificarea domeniului Z-alfa a format baza pentru caracterizarea Z-ARN și asocierea B- cu Z-ADN. Studiile au arătat că domeniul ADAR1, care leagă ADN-ul Z, permite acestei enzime să se localizeze în situsurile active de transcripție, unde își îndeplinește funcția - modifică secvența ARN -ului nou format [24] [25] .

În 2003, biofizicianul MIT Alexander Rich a observat că factorul de virulență al poxvirusului , numit E3L, are un situs legat de Z-alfa similar cu proteina de legare a ADN-ului Z de la mamifer [26] [27] . În 2005, Rich și colegii au explorat implicațiile E3L pentru poxvirus. Când genele sunt exprimate, E3L determină o creștere a transcripției mai multor gene ale celulei gazdă de la 5 la 10 ori, iar aceste gene blochează capacitatea celulelor de a se autodistruge ( apoptoză ) ca reacție de protecție împotriva infecției .

Rich a sugerat că Z-ADN-ul este esențial pentru transcripție și E3L stabilizează Z-ADN-ul, crescând astfel expresia genelor anti-apoptotice. El a prezentat, de asemenea, ideea că moleculele mici se pot lega de E3L, împiedicând această proteină să se lege de Z-ADN și, în cele din urmă, să interfereze cu expresia genelor anti-apoptotice. Acest lucru ar putea fi utilizat ca bază a unei metode de protecție împotriva variolei , cauzată de poxvirusuri.

Cu ajutorul anticorpilor anti-Z-ADN , această formă de ADN a fost găsită în regiunile interdisc ale cromozomilor politenici . Faptul este că numai ADN-ul B are nucleozomi , iar tranziția la forma Z distruge structura nucleozomului și, prin urmare, cromatina constând din nucleozomi . În acest sens, se presupune că forma Z poate îndeplini un fel de rol regulator, mai ales că tranziția B → Z este reversibilă [1] .

S-a stabilit că efectul toxic al bromurii de etidio asupra tripanozomilor este asociat cu tranziția ADN-ului lor kinetoplast la forma Z. Acest efect se datorează intercalării EtBr în ADN, din cauza căreia ADN-ul își pierde structura nativă, se desfășoară, se transformă în forma Z și din această cauză devine incapabil de replicare [28] .

Compararea parametrilor geometrici ai unor forme de ADN

Note

1. ↑ 1 2 3 4 5 Konichev, Sevastyanova, 2012 , p. 93.
2. ↑ Mitsui și colab. Studii fizice și enzimatice asupra poli d(IC)-poly d(IC), un ADN neobișnuit cu dublu elicoidal  (engleză)  // Nature (Londra): jurnal. - 1970. - Vol. 228 , nr. 5277 . - P. 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 helical DNA fragment at atomic resolution  (Eng.)  // Nature (Londra) : jurnal. - 1979. - Vol. 282 , nr. 5740 . - P. 680-686 . - doi : 10.1038/282680a0 . — . — PMID 514347 .
4. ↑ Pohl FM, Jovin TM Schimbarea conformațională cooperativă indusă de sare a unui ADN sintetic: studii de echilibru și cinetic cu poli(dG-dC  )  // J. Mol. Biol. : jurnal. - 1972. - Vol. 67 . - P. 375-396 . - doi : 10.1016/0022-2836(72)90457-3 . — PMID 5045303 .
5. ↑ Thamann TJ, Lord RC, Wang AHJ, Rich A. Forma de sare cu conținut ridicat de poli(dG-dC)•poly(dG-dC) este ADN Z cu mâna stângă: spectre raman ale cristalelor și  soluțiilor  Nucl// Acizi Res. : jurnal. - 1981. - Vol. 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 Structura cristalină a unei joncțiuni între B-ADN și Z-ADN dezvăluie două baze extrudate  //  Nature : journal. - 2005. - Vol. 437 , nr. 7062 . - P. 1183-1186 . - doi : 10.1038/nature04088 . — Cod . — PMID 16237447 .
7. ↑ Placido D., Brown BA 2nd, Lowenhaupt K., Rich A., Athanasiadis A. O dublă helix ARN stângă legată de domeniul Zalpha al enzimei de editare a ARN-ului ADAR1  //  Structure : journal. - 2007. - Vol. 15 , nr. 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”--a stângaci ARN dublă helix  (engleză)  // Nature. - 1984. - octombrie ( vol. 311 , nr. 5986 ). - P. 584-586 . - doi : 10.1038/311584a0 . — Cod . — 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 Crystal structure of a jonction between two Z-DNA helices   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the Statele Unite ale Americii  : jurnal. - 2010. - 18 mai ( vol. 107 , nr. 20 ). - P. 9088-9092 . - doi : 10.1073/pnas.1003182107 . - Cod . — PMID 20439751 .
11. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , p. 82.
12. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , p. 92.
13. ↑ Zhang H., Yu H., Ren J., Qu X. Tranziție reversibilă B/Z-ADN în condiții de sare scăzută și selectivitate polidApolydT non-forma B de către un complex de acid europiu-L-aspartic asemănător cubanului   // Revista Biofizică : jurnal. - 2006. - Vol. 90 , nr. 9 . - P. 3203-3207 . - doi : 10.1529/biophysj.105.078402 . — Cod biblic . — PMID 16473901 . Arhivat din original pe 12 octombrie 2008.
14. ↑ Ho PS, Ellison MJ, Quigley GJ, Rich A. O abordare termodinamică asistată de computer pentru prezicerea formării ADN-ului Z în secvențe naturale  // EMBO  Journal : jurnal. - 1986. - Vol. 5 , nr. 10 . - P. 2737-2744 . — PMID 3780676 .
15. ↑ 1 2 Champ PC, Maurice S., Vargason JM, Camp T., Ho PS Distributions of Z-DNA and nuclear factor I in human chromosome 22: a model for coupled transcriptional regulation  // Nucleic Acids Res  . : jurnal. - 2004. - Vol. 32 , nr. 22 . - P. 6501-6510 . doi : 10.1093 / nar/gkh988 . — PMID 15598822 .
16. ↑ Paul Bloom. Archaea: microbi antici, medii extreme și originea vieții. - Presa Academică, 2001. - Vol. 50. - P. 206. - (Advances in Applied Microbiology).
17. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , p. 93-94.
18. ↑ Rich A., Zhang S. Cronologie: Z-DNA: drumul lung către funcția biologică  //  Nature Review Genetics: journal. - 2003. - Vol. 4 , nr. 7 . - P. 566-572 . doi : 10.1038 / nrg1115 . — PMID 12838348 .
19. ↑ Herbert A., Rich A. O metodă de identificare și caracterizare a proteinelor de legare a ADN-ului Z folosind o oligodeoxinucleotidă liniară   // Nucleic Acids Res : jurnal. - 1993. - Vol. 21 , nr. 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. Un domeniu de legare Z-ADN prezent în enzima de editare umană, ARN adenozin  Proceedings//deaminaza   : jurnal. - 1997. - Vol. 94 , nr. 16 . - P. 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. Domeniul Zalpha din ADAR1 uman se leagă de conformerul Z-ADN al multor secvențe diferite  .)  / / Acizi nucleici Res : jurnal. - 1998. - Vol. 26 , nr. 15 . - P. 2669-2672 . doi : 10.1093 / nar/26.15.3486 . — PMID 9671809 .
22. ↑ Schwartz T., Rould MA, Lowenhaupt K., Herbert A., Rich A. Structura cristalină a domeniului Zalpha al enzimei de editare umană ADAR1 legată de ADN-ul stângaci  //  Science: journal. - 1999. - Vol. 284 , nr. 5421 . - P. 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. Structura soluției domeniului Zalpha al enzimei de editare a ARN-ului uman ADAR1 dezvăluie o suprafață de legare prepoziționată pentru Z-DNA  (engleză)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 1999. - Vol. 96 , nr. 22 . - P. 2465-2470 . - doi : 10.1073/pnas.96.22.12465 . - Cod biblic . — PMID 10535945 .
24. ^ Herbert A., Rich A. The role of binding domains for dsRNA and Z-DNA in the in vivo editing of minimal substrates by ADAR1   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal . - 2001. - Vol. 98 , nr. 21 . - P. 12132-12137 . - doi : 10.1073/pnas.211419898 . - Cod biblic . — PMID 11593027 .
25. ↑ Halber D. Oamenii de știință observă activitățile biologice ale ADN-ului „stângaci” . Biroul de știri MIT (11 septembrie 1999). Data accesului: 29 septembrie 2008. Arhivat din original la 16 februarie 2013. (nedefinit)
26. ↑ Kim YG, Muralinath M., Brandt T., Pearcy M., Hauns K., Lowenhaupt K., Jacobs BL, Rich A.  A role for Z-DNA binding in vaccinia virus pathogenesis  // Proceedings of the National Academy of Sciences al Statelor Unite ale Americii  : jurnal. - 2003. - Vol. 100 , nr. 12 . - P. 6974-6979 . - doi : 10.1073/pnas.0431131100 . - Cod . — PMID 12777633 .
27. ↑ Kim YG, Lowenhaupt K., Oh DB, Kim KK, Rich A. Dovezi că factorul de virulență vaccinia E3L se leagă de Z-ADN in vivo: Implicații pentru dezvoltarea unei terapii pentru infecția cu poxvirus   // Proceedings of the National Academy of Sciences of Statele Unite ale Americii  : jurnal. - 2004. - Vol. 101 , nr. 6 . - P. 1514-1518 . - doi : 10.1073/pnas.0308260100 . - Cod . — PMID 14757814 .
28. ↑ Roy Chowdhury, Arnab; Bakshi, Rahul; Wang, Jiangyang; Yildirir, Gokben; Liu, Beiyu; Pappas-Brown, Valeria; Tolun, Gokhan; Griffith, Jack D.; Shapiro, Theresa A.; Jensen, Robert E.; Englund, Paul T.; Ullu, Elisabetta. Uciderea tripanozomilor africani prin bromură de etidiu  (engleză)  // PLoS Pathogens  : jurnal. - 2010. - 16 decembrie ( vol. 6 , nr. 12 ). — P. e1001226 . - doi : 10.1371/journal.ppat.1001226 .
29. ↑ Sinden, Richard R. Structura și funcția ADN-ului  (nedefinită) . — 1-a. - Academic Press , 1994. - P. 398. - ISBN 0-126-45750-6 .
30. ↑ Rich A., Norheim A., Wang AHJ. Chimia și biologia ADN-ului Z pentru stângaci  (engleză)  // Revizuirea anuală a biochimiei : jurnal. - 1984. - Vol. 53 , nr. 1 . - P. 791-846 . - doi : 10.1146/annurev.bi.53.070184.004043 . — PMID 6383204 .
31. ↑ Ho PS Structura non-B-ADN a d(CA/TG)n nu diferă de cea a Z-DNA   // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 1994. - 27 septembrie ( vol. 91 , nr. 20 ). - P. 9549-9553 . - doi : 10.1073/pnas.91.20.9549 . - . — PMID 7937803 .

Literatură

• Konichev A.S., Sevastyanova G.A. Biologie moleculară. - Centrul de Editură „Academia”, 2012. - 400 p. — ISBN 978-5-7695-9147-1 .
• David L. Nelson, Michael M. Cox. Principiile Lehninger ale biochimiei. — Ediția a cincea. — New York: WH Freeman and company, 2008. — 1158 p. - ISBN 978-0-7167-7108-1 .

Dicționare și enciclopedii	Britannica (online)