перация 3t поворачивает объект на угол 2л/3 = 12(Г и смещает его на 1/3 ребра ячейки, параллельного оси, причем направление поворота и смещения связано правилом правого винта. В случае оси 32 происходит поворот на тот же угол 2л/3, но объект смещается на 2/3 ребра ячейки, т. е. элемент 1 повторяется в положениях 2, 3, 4 и т.д. (см. рисунок). Отсутствующий в этом списке элемент 3', который находится на высоте 1/3, получается при трансляции на единицу (3/3) элемента 3, расположенного на высоте 2-2/3 (4/3 — 3/3 = 1/3). Если соединить различные элементы непрерывной линией, как это показано на рисунке, то в случае операции 3t мы получим правую спираль, а в случае 32-левую. Аналогично 4j, 6j и 62 отвечают правой спирали, а 43, 64 и 65-левой.

3. 32

При описании спиральной симметрии нуклеиновых кислот символ Nm имеет тот же смысл, что и в кристаллографии. В данном случае повторяющимся элементом является нуклеотид или пара оснований, и спиральная симметрия А-ДНК, 11 „ указывает, что любой нуклеотид связан с последующим сочетанием поворота вокруг оси спирали на угол 2л/11 (= 32,7°) и смещения вдоль оси на 1/11 периода (шага спирали). Другими словами. А-ДНК представляет собой спираль 11-го порядка с 11 нуклеотидами на виток. С-ДНК с симметрией 9,33!-пример нецелочисленной спирали. Здесь структура в точности повторяется лишь через 3 витка, или через 3 • 9,33 = 28 нуклеотидов, что часто описывают символом 28 3; эта номенклатура не вполне соответствует кристаллографической, зато она удобна при описании нецелочисленных спиралей.

Полиморфизм ДНК и структурный консерватизм РНК

243

В случае полинуклеотидов с чередующимися последовательностями, таких, как poly(dA—dT)-poly(dA—dT) или poly(dG—dC)-poly(dG—dC), повторяющимся структурным элементом при данном способе описания будет динуклеотид. Следовательно, симметрия 81, указанная в табл. 9.1, для D-ДНК в случае сополимера с чередующейся последовательностью в действительности должна быть заменена на 41; а Z-ДНК с двенадцатью парами оснований на виток имеет симметрию 65. Однако, чтобы представить все данные табл. 9.1 в едином виде, символы пониженной симметрии в этой таблице не используются (исключение сделано для Z-ДНК); в качестве повторяющегося структурного элемента везде рассматривается один нуклеотид или одна пара оснований.

Структура синтетических полинуклеотидов с блочным строением зависит от последовательности блока. Из табл. 9.1 следует, что ДНК, имеющие один и тот же нуклеотидный состав, но разные последовательности, проявляют различные структурные свойства. Например, полину-клеотид poly(dA—dC)poly(dG—dT) может находиться в А-, В-и Z-формах, а его аналог poly(dA—dG)poly(dC—dT), у которого одна цепь состоит только из пуринов, а другая-только из пиримидинов, существует в виде В- и С"-форм и в А-форму переходить не может.

Еще более поразительный пример-это poly(dА) • poly(dT) и два других полинуклеотида с тем же составом, poly(dA—dT)poly(dA—dT), poly(dA—dA—dT) • poly(dA—dT—dT). Первый при относительной влажности 70% и выше находится в В-форме; при уменьшении влажности он сначала переходит в метастабильную А-форму, а затем образует трех-цепочечный комплекс poly(dA) ¦ 2poly(dT), имеющий конформацию А-ти-па (разд. 11.4). Напротив, полинуклеотид poly(dA—dA—dT)poly(dA— dT—dT) в виде натриевой соли может находиться только в В- и D-фор-мах, а полинуклеотид poly(dA—dT)poly(dA—dT) может существовать также в метастабильной А-форме.

Нуклеотидный состав тоже влияет на структурные свойства синтетических ДНК. Рассмотрим два полинуклеотида, poly(dA—dT)-poly (dA—dT) и poly(dG—dC)poly(dG—dC) (табл. 9.1). В обоих полимерах имеет место чередование пуринов и пиримидинов, но нуклеотидный состав полинуклеотидов различается. Натриевая соль poly(dА—dT) • poly (dA—dT) может находиться в метастабильной А-форме или в стабильной D-форме, но poly(dG—dC)-poly(dG—dC) существует исключительно в А-форме вплоть до относительной влажности 92%. Если теперь рассмотреть полинуклеотид, в котором гуанозин заменен на инозин, то мы с удивлением обнаружим, что он ни при каких условиях не переходит в А-форму. Этот факт объясняется в гл. 17, где обсуждаются вопросы, связанные с гидратацией ДНК. Еще одно отличие рассматриваемых полинуклеотидов друг от друга состоит в том, что в случае poly(dG—dQ-poly(dG—dQ может происходить весьма эффектный переход из правоспиральной В-ДНК в левоспиральную Z-ДНК, а в случае poly(dA—dT)poly(dA—сП)-нет.

Структура природных ДНК в целом, по-видимому, не зависит от последовательности и нуклеотидного состава. На основании целого ряда 16*

244

Глава 9

Таблица 9.1. Основные кристаллические формы ДНК и РНК в волокнах: зависимость формы и симметрии спирали от природы противоиона и относительной влажности (эквивалент концентрации соли)1*

Относи- Полинуклеотид Проти-воион тельная влаж- Фор- Симметрия спирали Ссылка

ность, % Нативная ДНК Na 75 А 842]

Na 92 В 10, 101]

Li 57-66 С 9,33, (283) 94]

Li 44 С 9,33, (283) =94]

Li / 66 В 10, '824'

Poly (dA)-poly (dT) Na • 70 Р-В' 10, :843:

Na 92 а-В' 10, :843:

Poly (dG)-poly (dC) Na 75 А П, :844=

Na 92 В 10, :844:

Poly (dA—dT) - poly (dA—dT) Na 75 8, :845:

Na до 98 А Hi =846п

Li 66 В 10, r846j

Poly (d A—dC) - poly (dG—dT) Na 66 А П, :824:

Na 66-92 В 10, :824:

Na 66 Z 65 :304=

Poly (d A—dG) • poly (dC—dT) Na 66 С" 9, =824

Na 95 В 10, :824:

Poly (dG—dC) • poly (dG—dC) Na 43 d 65 :304:

Na до 92 А П, :824:

Li 81 В 10, =824

Poly (dA—dA—dT) ¦ poly (dA— Na 66 6> 8, 847]

—dT—dT)

Na 92 В 10, [847] Poly (dA—dG—dT) ¦ poly (dA— Na до 98 А П, [824] —dC—dT)

Li 98 В 10, [824]

Li 66 & 9, ;824] Poly (dA—dl—dT) ¦ poly (d A— Na 66 8, [824] —dC—dT)

Na 81 с 9,33, (28,) '824]

Na 92 В 10, 824:

Poly (dl—dC) • poly (dl—dC) Na 66 В. 10, !388=

Na 75 8, '388'

• Нативная РНК (реовируса) Na до 92 '848:

Poly (A) - poly (U) Na до 92 А н, '848=

Poly (I)-poly (C) Na до 92 А' 12, "848"

Гибрид poly (rl) ¦ poly (dC)2) Na 75 А 12, 849:

Гибрид ДНК—РНК Na 33-92 А И, :850:

ДНК фага Т2 Na 60 Т 8, :858:

" Вначале в литературе (см. работы [824, 304]) вместо обозначения Z-ДНК использовалось S-ДНК.

2) В работе [849] не указаны параметры спирали: см. работу [851].

Полиморфизм ДНК и структурный консерватизм РНК 245

Таблица 9.2. Типы структур и параметры спиралей, полученные из данных по рентгеновской дифракции на волокнах природных ДНК со «случайной» последовательностью и на волокнах синтетических гомополимеров и полинуклеотидов с повторяющейся нуклеотидной последовательностью

Тип структуры

Расстояние между „ остатками (А) и угол

Шаг, А Симметрия спирального враще. Ширина . Глубина .

спирали до желобков7', А желобков7', А

ft (А)

(, град

ми-нор-

глав-ного

норного

главного

Природные и синтетические ДНК

А 28,2 2,56 32,7 11,0 2,7 2,8 13,5

В 33,8 10, 3,38 36,0 5,7 11,7 7,5 8,5

С 31,0 9,33, (28,)2> 3,32 38,6 4,8 10,5 7,9 7,5

Синтетические ДНК с неслучайной последовательностью

В' 32,9 10, 3,29 36,0

С 29,5 9. 3,28 40,0

С" 29,1 9,(182)3> 3,23 40,0

D 24,3 3,04 45,0 1,3 8,9 6,7 5,8

Е 24,35 7,5, (152)4' 3,25 48,0

S 43,4 655) 3,65 - 30,08>

Z6) 45 655) 3,7 - 30,08» 2,79) 9,09>

" Приведено число остатков на виток; в скобках указано число остатков, после которого структура в точности повторяется. Некоторые данные отличаются от тех, что приведены в работе [824].

2) На виток спирали приходится 9,33 остатка: структура повторяется через три витка, или 9,33 ¦ 3 = 28 остатков.

3) Динуклеотидная последовательность; повторяется через каждые два витка, или 18 остатков.

41 Тринуклеотидная последовательность; повторяется через каждые два витка, или 15 остатков.

5) Повторяющимся элементом считается динуклеотид.

6) Получено путем экстраполяции структуры гексануклеотида (dC—dG) [917].

7) Из работы [893]. Ширина желобка-это расстояние между двумя линиями, проведенными через фосфаты каждой цепи, минус вандерваальсов радиус фосфатной группы, равный 5,8 А; глубина желобка также вычисляется с учетом вандерваальсовых радиусов.

8) Приведен средний угол спирального вращения. Угол вращения между динуклеотид-ными единицами равен — 60°, но в самой единице углы вращения неодинаковы, они различаются в GpC и CpG (см. гл. 12).

9> Из работы [303]; см. также сноску 7).

исследований, проведенных методами рассеяния рентгеновских лучей [825], рентгеновской дифракции на волокнах [826], методами линейного дихроизма в ИК-свете [827] и кругового дихроизма в УФ-свете [828] на образцах ДНК с различным АТ-содержанием, в том числе на сател-литных ДНК (дополнение 9.2), содержащих большое число повторов, был сделан вывод о том, что, помимо традиционных А-, В- и С-форм, существуют и иные структурные модификации ДНК. Другие исследователи, также использующие методы кругового дихроизма в УФ-свете

246

Глава 9

Рис. 9.1. Обобщенная схема, иллюстрирующая связь между различными семействами природных ДНК и РНК [302]. Внутрисемейственные переходы (цветные овалы) происходят при изменении концентрации соли. Межсемейственные переходы индуцируются изменением относительной влажности и концентрации соли в волокнах или пленках и изменением ионной силы или полярности растворителя в растворе. Критические значения концентраций соли и этанола, приведенные в работах [914, 915, 839], дают среднюю точку, а не границу перехода. Заметим, что РНК-область на схеме ограничивается А-семейством, а Z-семейство, включающее левые спирали, возможно, состоит только из чередующихся последовательностей пурин-пиримидин.

[829] и дифракции рентгеновских лучей на волокнах [824, 830-832], подвергают этот вывод серьезным сомнениям. По существу, для природных молекул -сателлитных ДНК с повторами или ДНК без повторов-подтверждено наличие только А-, В- и С-форм. Но так как результаты перечисленных методов ограничиваются описанием лишь общей структуры молекулы и ни один из них не выявляет тонких структурных деталей, мы не можем исключить, что имеют место незначительные локальные структурные вариации, как, например, в случае «В-ДНК с чередованием конформацни» (разд. 11.3).

Конечно, не следует думать, что ДНК с разным АТ-содержанием будут обладать одинаковыми термодинамическими свойствами. На самом деле было показано [833], что при GC-содержании ниже 30% В -» -v А-переход затруднен, но облегчается по мере роста доли GC-nap в молекуле, как это видно из фазовой диаграммы, приведенной на рис. 9.2.

Полиморфизм ДНК и структурный консерватизм РНК 247

Дополнение 9.2

Что такое сателлитные ДНК?

Если фрагментировать ДНК эукариот, а затем провести ее центрифугирование в градиенте плотности CsCl, то помимо основного пика на седиментограм-ме будут наблюдаться «сателлитные», что указывает на наличие в препарате молекул ДНК разной плотности, а следовательно, и разного нуклеотидного состава. Анализ сателлитных ДНК показал, что они содержат серии повторов, длина и сложность которых характерны для исследуемого вида. Так, было обнаружено, что у крабов сателлитная ДНК на 93% состоит из чередующихся АТ-пар и лишь на 2,7% из GC-nap, т.е. практически представляет собой poly(dA—dT) [860]. Из Drosophila virilis было выделено три различных вида сателлитных ДНК с повторяющимися гептануклеотидными мотивами, такими, как poly(d—А —dC—dA—dA—d A—dC—dT) • poly (dA—dG—dT—dT—dT—dG—dT) [861 ].

Сателлитные ДНК локализованы в центромере. Возможно, они выполняют роль спейсеров, но так ли это на самом деле-пока неизвестно [862]. Очевидно, что они не кодируют никакие белки и, по-видимому, не транскрибируются [349].

Структура ДНК зависит от природы присутствующих катионов и от температуры. В табл. 9.1 можно найти множество примеров того, что структура спирали натриевой и литиевой солей природных или синтетических ДНК в волокнах различается. Сходная ситуация наблюдается в растворе, где на поведение ДНК влияют тип и концентрация катионов и температура. При этом наличие разных анионов почти никак не сказывается на поведении ДНК [834, 835]. Вообще говоря, появление структурных перестроек, связанных с изменением окружения, характерно только для В-ДНК; А-ДНК, очевидно, имеет более «жесткую» молекулярную конформацию, точно так же как и РНК, которая существует только в виде А- и А'-форм назависимо от последовательности, нуклеотидного состава и окружения.

9.2. ДВА СЕМЕЙСТВА ПРАВЫХ ПОЛИНУКЛЕОТИДНЫХ СПИРАЛЕЙ: АИВ

•Внимательно изучив табл. 9.3 и 9.4 и исключив на некоторое время из рассмотрения левоспиральные Z- (или 8-)ДНК, которым посвящена гл. 12, мы обнаружим, что полинуклеотиды рибо- и дезоксириборяда имеют общие структурные особенности. Правоспиральные ДНК чг РНК, будь то одно-, двух-, трех- или четырехцепочечные структуры, можно грубо разбить на две категории, которые мы называем А-и В-семействами.

Главное различие между спиралями А- и В-типа состоит в неодинаковой конформации сахара. Для А-семейства характерна С3.-эндо- конформация, а для В-семейства-С2--эндо (или, что почти то же самое, Cj.-экзо). Различием в конформации сахара обусловлены вариации

248

Глава 9

В

100

о

О

Денатурация

0

J_I_I_I_I_I_I_I_L

50 G + С,%

100

Рис. 9.2. «Фазовая диаграмма», связывающая конформационные изменения природных ДНК с различным GC-содержанием при варьировании относительной влажности [833]. При высокой относительной влажности (95%) существует только В-форма, в диапазоне 95-73% относительной влажности она переходит в А-форму. Ниже 73% можно наблюдать только А-форму, причем для этого должно выполняться дополнительное условие-GC-содержание должно быть выше 30%, чтобы не произошла денатурация. Диаграмма получена с помощью инфракрасной спектроскопии на пленках ДНК, содержащих NaCl в концентрации 3—4%.

в расстоянии между соседними фосфатами в одной полинуклеотидной цепи: оно колеблется от 5,9 А при конформацни сахара С3.-эндо до 7,0 А при С2.-эндо-конформации (рис. 9.3). Вследствие этого спирали выглядят совершенно по-разному (см. ниже).

Знак угла наклона пары Op (tilt) связан с конформацией сахара. В двухцепочечных полинуклеотидах нормаль к плоскости пары не параллельна оси спирали, а наклонена к ней под некоторым углом, значение которого может достигать величины 20°. Характерно, что этот угол наклона От, знак которого определен на рис. 2.14, положителен для спиралей А-типа и отрицателен для спиралей В-типа,