Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

спиралей ДНК характерны систематические, зависящие от последовательности модуляции; правила Калладина. В олиго- и полинуклеотидных двойных спиралях угол пропеллера пар положителен, т.е. если смотреть вдоль длинной оси пары, ближнее основание повернуто по часовой стрелке относительно дальнего (рис. 2.14, А). Теоретические расчеты [836] показывают, что наличие пропеллера облегчает стэкинг-взаимодействие оснований вдоль оси двойной спира-

Структура ДНК

273

ли. Однако, как показал Калладин [892а], это приводит также к столкновению соседних пуринов в противоположных полинуклеотидных цепях. Под столкновением в данном случае подразумевается возникновение стерически недопустимых контактов между атомами Об гуанина и N6 аденина в главном желобке, если речь идет о последовательности пурин—(3', 5')—пиримидин, и между атомами N3, N2 гуанина и N3 аденина в минорном желобке для последовательности пиримидин—(3', 5')—пурин (рис. 11.1); при этом контакты в минорном желобке почти вдвое более невыгодны, чем контакты в главном желобке. Стерически невыгодные контакты возникают главным образом в смешанных пу-рин-пиримидиновых последовательностях, тогда как в гомопуриновых или гомопиримидиновых последовательностях они практически отсутствуют.

Указанных столкновений можно избежать, если осуществить любую комбинацию из четырех перечисленных ниже операций.

1. Локально уменьшить угол пропеллера пар оснований.

2. Изменить углы крена пар 6R так, чтобы уменьшить невыгодный контакт, т.е. сильнее «открыть» пары (рис. 11.1,А).

3. Сдвинуть пару оснований параллельно ее длинной оси и «вытянуть» пурин из спиральной стопки (рис. 11.1, Б).

4. Уменьшить угол спирального вращения, чтобы минимизировать невыгодные взаимодействия (рис. 11.1, В).

Эти правила были сформулированы в результате анализа кристаллической структуры В-додекамера, описанной в разд. 11.2. Операции 1, 2 и 4 приводят к изменениям углов спирального вращения (г), пропеллера (0Р) и крена (0R) пары (см. рис. 2.14). Стратегия операции 3 связана с изменением торсионного угла 8, описывающего конформацию сахара (см. также разд. 11.2, где рассматривается антикорреляционный принцип).

В случае А-ДНК возникает иная ситуация. Здесь, в отличие от В-ДНК, ось спирали не проходит через пару оснований, а располагается в главном желобке. Кроме того, пары наклонены примерно на 20°. Следовательно, стерически недопустимые контакты между соседними пуринами противоположных цепей будут возникать только в минорном желобке для последовательностей пиримидин—(3', 5')—пурин (рис. 9.6); в области главного желобка таких контактов, очевидно, не будет.

11.1. А-ДНК, ЕДИНСТВЕННАЯ ПРЕДСТАВИТЕЛЬНИЦА А-СЕМЕЙСТВА. ТРИ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОЛИГОНУКЛЕОТИДА А-ТИПА:

d(CCGG), d(GGTATACC) И d{GGCCGGCQ

Конформация А-ДНК близка к конформации А-РНК (табл. 9.3) [892]. И в том и в другом случае на виток спирали приходится 11 пар оснований. Однако расстояние между нуклеотидами вдоль оси спирали А-ДНК меньше (2,56 А), чем у А-РНК (2,81 А). Пары наклонены на 20е относительно перпендикуляра к оси спирали и смещены относительно

18-509

Пиримидин — пурин

Пурин — пиримидин

А

Рис. 11.1. Иллюстрация правил Калладина [892а], заимствованная из работы [892Ь]. А. Положительный угол пропеллера в двух соседних GC-napax двойной спирали ДНК приводит к появлению зависящих от последовательности тесных контактов между остатками гуанина противоположных цепей. в последовательности пиримидин—3',5'—пурин (вверху) гуанины контактируют в минорном желобке (светлая широкая стрелка), в последовательности пурин—3',5'—пиримидин (в сереЬине)-ъ главном. Нежелательного контакта можно избежать, уменьшив угол пропеллера пар, изменив угол крена GR (внизу), уменьшив угол спирального вращения t (рис. В) или вытянув пурин (гуанин) из стопки оснований (рис. Б). Б. Невыгодные контакты между пуринами, показанные на рис. А, можно уменьшить, немного выдвинув GC-пары из стопки оснований (направле-

Антикомппементарность торсионных углов 6 Б

ние сдвига показано стрелкой). Чтобы расстояние Р---Р при этом осталось прежним, должна несколько измениться конформация сахара: у пуриновых нуклеозидов угол 8 увеличивается, у пиримидиновых уменьшается. Согласно антикорреляционному принципу (разд. 11.2), с изменением 6 изменяется и угол х- В. Увеличение угла спирального вращения от 36 до 45° (вверху) укорачивает расстояние между атомами N3 в минорном желобке, уменьшение этого угла до 27е (внизу) удлиняет. Появление положительного угла пропеллера (см. определение на рис. 2.14) приводит к тому, что атом N3 верхней пары (жирные линии) перемещается вниз (знак « — »), а атом N3 нижней (тонкие линии)-вверх, что приводит к невыгодному взаимодействию N3 ¦ ¦ • N3. При раскручивании спирали до угла спирального вращения 27° (внизу) эти контакты уменьшаются.

18*

276

Глава 11

оси на 4,7 А, так что ось попадает в главный желобок. Это приводит к появлению полости в центре структуры; кроме того, главный желобок становится глубоким, а минорный мелким (см. гл. 9 и разд. 10.1, а также рис. 11.2). Самое удивительное, что сахар у А-ДНК находится в С3,-эндо-, а не в С2.-эндо-конформации, как в случае всех других модификаций ДНК. Отличается также ориентация сахара и основания относительно гликозиднои связи Су—N: у двойных спиралей А-типа угол X лежит в области —ап( — 160°), а у двойных спиралей В-типа-в области - ак ( - 100°).

Рентгеноструктурный анализ кристаллов трех олигонуклеотидных дуплексов, принадлежащих А-семейству. А-форма обнаружена также при кристаллографических исследованиях трех самокомплементарных олигонуклеотидов: d(CCGG), d(GGCCGGCC) и d(GGTATACC) [893, 893а, 894, 894а]. Олигомеры были закристаллизованы в присутствии спирта, т. е. в условиях, которые способствуют дегидратации ДНК и облегчают В -» А-переход [895]. Очевидно, однако, что стабилизации А-формы способствовало главным образом наличие GG-последовательности, присутствующей во всех трех олигомерах [893а]. Такой вывод можно сделать потому, что в случае других олигонуклеотидов при кристаллизации из растворов, тоже содержащих спирт, были получены дуплексы, находящиеся в В-форме (разд. 11.2).

Как видно из табл. 11.1, средние параметры спиралей олигонуклеотидов близки к таковым для А-формы, полученным при дифракционных исследованиях волокон ДНК. Тем не менее имеются локальные вариации в значениях этих параметров, а также в значениях углов пропеллера и крена пар, зависящие от последовательности и хорошо согласующиеся с правилами Калладина. Так, в последовательности пиримидин—(3', 5')—пурин атомы пуринов в минорном желобке вступают в невыгодное взаимодействие и угол крена пар 0R уменьшается на 10-15°. Во всех остальных динуклеотидных звеньях никаких тенденций в отклонениях локальных параметров от средних значений не наблюдается, что соответствует предсказаниям и отличает А-олигомеры от додекамера В-типа (разд. 11.2).

Рис. 11.2. Структура А-ДНК, построенная по координатам, взятым из работы [843]. Приведены вид сбоку и сверху. Рисунки выполнены с помощью ЭВМ. А. Скелетная модель. Б. Объемная модель. Если наклонить спираль на ~ 30°, чтобы была видна форма минорного и главного желобков, получится почти такая же картинка, как на рис. 10.1, справа. Описание деталей графического представления и масштаб даны в подписи к рис. 10.1. При построении объемной модели использовались те же входные данные, что и при построении скелетной модели. Радиусы атомов С, N и О равны соответственно 1,6, 1,5 и 1,4 А. Атомы водорода не указаны. Свет падает на молекулу сверху под углом 45°. Заметим, что глубокий и узкий главный желобок выглядит темным, потому что он находится в тени.

Структура ДНК

278

Глава 11

Таблица 11.1. Средние параметры олигонуклеотидных спиралей А-типа и спирали А-ДНК [894а]

Ширина желобков1'

Олигонуклеотид

Угол спирального вращения, град

Расстояние между парами вдоль оси спирали. А

Угол наклона оснований, град

Смещение D, к

минорного

главного

d (GGTATACC) d('cCGG)2' d(GGCCGGCC) А-ДНК3'

32,2(1) 2,87(1) 13,5 4,0 10,2 6,3

33,9(2) 2,85(3) 14,0 3,7 10,6 4,8

32,6(3) 3,03(4) 12,0 3,6 9,6 7,9

32,7 2,56 20 4,5 10,9 3,7

" Вандерваальсова ширина желобков равна расстоянию между фосфатами минус 5,8 А.

2) 5'-Концевой цитозин 'С иодирован в положении 5.

3) Неопубликованные данные Арнотта и Чандрасекарана (1982); эти данные отличаются от приведенных в табл. 9.3.

С3 -эндо-конформация сахара и корреляция торсионных углов а и у. Во

всех трех упомянутыхвыше олигонуклеотидах А-типа среднее расстояние Р • • • Р равно ~ 6 А. Это значение характерно для конформацни сахара С3.-эндо (рис. 9.3), которой также соответствуют значения торсионного угла 8, лежащие в узком интервале 80-91° [894а] (табл. 11.2).

Для того чтобы устранить невыгодные пурин-пуриновые контакты, пары оснований сдвигаются от своих средних положений в соответствии с правилами Калладина. Однако в данном случае это достигается не благодаря изменению конформацни сахара, как в случае В-ДНК (разд. 11.2), а вследствие вариации торсионных углов а, у и х, причем наблюдается заметная корреляция между значениями а и у [894а] (табл. 11.2). Как видно из табл. 11.2, другие торсионные углы сохраняют примерно постоянное значение вдоль цепи. В этом отношении спираль А-типа существенно отличается от В-ДНК, у которой З'-концы нуклеотидов более подвижны (т.е. углы 8, е, ? более вариабельны), чем 5'-концы.

В отличие от олигонуклеотидов В-типа фрагменты ДНК А-типа однородны в отношении структурных свойств отдельных остатков. Все сахарные остатки d(CCGG) и d (GGTATACC) имеют стандартную конформацию Су-эндо. Зависящие от последовательности модуляции спиральной структуры, столь очевидные для олигомеров В-типа (см. ниже), в данном случае не проявляются. Исключение составляет структура d(GGCCGGCC), в которой наблюдаются некоторые отклонения в кон-формации четырех центральных нуклеотидов. Создается впечатление, что для двойных спиралей А-ДНК характерен более ограниченный диапазон возможных конформацни нуклеотидов (см. табл. 9.3). То же самое справедливо по отношению к А-РНК: в спиральных участках мо-

Таблица 11.2. Средние значения торсионных углов у олигонуклеотидных спиралей А-типа [894а]. В скобках указано стандартное отклонение

Олигонуклеотид а (Р-О,.) Р (05—С5.) у (С5.-С4.) 8 (Q.-C3.) (С,.-03) (05—Р) X (C.—N)

d (GGTATACC) - 62(12) 173(8) 52(14) 88(3) - 152(8) -78(7) - 160(8)

d('CCGG)" -73(4) 180(8) 64(10) 80(6) -161(7) - 67(4) -161(7)

d(GGCCGGCC)2) -75(36) 185(13) 56(22) 91(18) - 166(19) -75(19) - 149(10)

г (GCG) d (TATACGQ - 69(31) 175(14) 55(22) 82(9) - 151(15) -75(16) - 162(10)

А-ДНК3) -50 172 41 79 - 146 -78 - 154

A-PHK3> -68 178 54 82 - 153 -71 - 158

" 5'-концевой цитозии 'с иодирован в положении 5.

' При усреднении не учитывались значения углов 5 разупорядочеиных сахарных остатков G1 и G2 в кристаллической структуре, опре-

деленной при — 8°С.

' Неопубликованные данные Ариотта и Чандрасекараиа (1982); эти данные отличаются от приведенных в табл. 9.3.

280

Глава 11

лекулы тРНК (гл. 15) нет явных систематических, зависящих от последовательности вариаций конформацни или вторичной структуры.

Гибрид ДНК—РНК находится в А-форме, свойственной обоим типам нуклеиновых кислот. Так как двойные спирали А-ДНК и А-РНК кон-формационно изоморфны, не удивительно, что у гибридов ДНК—РНК полинуклеотидные цепи находятся именно в А-форме. При этом, за исключением особых случаев синтетических полимеров (разд. 11.7), ДНК В-типа должна перейти в А-форму до того, как она образует гибрид с РНК во время транскрипции.

11.2. В-ФОРМА ПОЛИМЕРНЫХ МОЛЕКУЛ ДНК И ДОДЕКАНУКЛЕОТИДА d(CGCGAATTCGCG). ЗНАКОМСТВО С ДВОЙНЫМИ СПИРАЛЯМИ В-СЕМЕЙСТВА

Если А-ДНК обладает рядом характерных особенностей, присущих семейству двойных спиралей А-РНК, то В-ДНК и родственные ей С- и D-ДНК принадлежат совсем другому классу В-семейству двойных спиралей.

У этого семейства фуранозные кольца имеют конформацию Сг-эндо (или близкую ей С3.-экзо), расстояние между соседними фосфатами увеличивается до 7 А (рис. 9.3), а угол х, описывающий вращение вокруг гликозиднои связи Cr—N, оказывается в области —ак, в диапазоне — 90-.--120°. В В-ДНК на виток спирали приходится 10 пар оснований и расстояние между нуклеотидами вдоль оси спирали составляет 3,3 ~ 3,4 А. В результате у оснований наблюдается лишь небольшой отрицательный наклон — 6°. Эти характеристики и определяют макроскопическую структуру В-ДНК, подробно описанную в гл. 9 и представленную на рис. 11.3: пары оснований расположены на оси спирали, размер главного и минорного желобков примерно одинаков, в стэкинге участвуют лишь основания, принадлежащие одной и той же цепи, а перекрывание соседних оснований противоположных цепей отсутствует (рис. 9.6).

Структурный анализ кристаллов додекамера d(CGCGAATTCGCG) подтверждает, что В-ДНК в целом такова, какой ее представляли по результатам рентгеновской дифракции иа волокнах. Кристаллы додекамера [центральная часть которого, d(GAATTC), представляет собой участок узнавания для рестриктазы] были выращены при рН 7,5 в водном растворе, содержащем Mg2 + , спермин и 2-метил-2,4-пентандиол (от 20 до 30%)-спирт, который часто используют при кристаллизации белков. Самокомплементарная молекула в кристалле образует уотсон-криков-ский дуплекс, или, точнее, двойную спираль В-типа длиной чуть более одного витка. При подробном рассмотрении этой спиральной структуры были обнаружены новые важные факты.

1. Спираль оказалась не прямой, а с изгибом в 19°, что отвечает радиусу кривизны 112 А (рис. 11.4). Этот изгиб обусловлен особенностями кристаллической упаковки, а не собственно структурными свойствами данного дуплекса [464]. Рассматривая двойную спираль ДНК как упру-

Структура ДНК

281

гий деформируемый стержень и зная персистентную длину ДНК в растворе [815, 816, 897, 898], можно оценить, что для создания наблюдаемой кривизны достаточно энергии 0,25-0,5 ккал на моль додекамера. Как будет видно из гл. 12, изгибание ДНК имеет большое значение для ее упаковки в хроматине и при образовании сверхспиральных молекул ДНК.

2. Центральный фрагмент додекамера, включающий участок узнавания рестриктазы EcoRI d(GAATTC), имеет структурные особенности, характерные для ДНК В-типа, с 9,8 парами на виток. Однако концевые нуклеотидные триплеты, ограничивающие центральный фрагмент с двух сторон, имеют более сложную структуру. Примыкающие непосредственно к центральному гексамеру пары смещены от локальной оси спирали в сторону минорного желобка, как в А-ДНК (рис. 11.5). Угол спирального вращения для двух последующих пар относительно локальной оси равен ~45°; это напоминает структуру D-ДНК. Однако, несмотря на эти нарушения регулярности, неизменное вдоль всей цепи расстояние Р—Р, равное 6,68 А, указывает на то, что мы имеем дело с В-ДНК (для идеальной спирали А-ДНК это расстояние было бы равно 5,

страница 33
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79

Скачать книгу "Принципы структурной организации нуклеиновых кислот" (9.68Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(21.07.2019)