21 būdas, kaip gali atrodyti jūsų DNR

Turinys:

21 būdas, kaip gali atrodyti jūsų DNR
21 būdas, kaip gali atrodyti jūsų DNR
Anonim

Mes įpratę galvoti apie DNR kaip apie dvigubą spiralę, tačiau tai tik viena iš daugelio jos formų. Nuo tada, kai Watsonas ir Krikas paskelbė savo modelį, žmogaus ląstelės rado trigubą ir keturgubą DNR spiralę, taip pat kryžius, plaukų segtukus ir kitus audimo modelius - kai kuriuos lengviau nupiešti nei apibūdinti žodžiais.

Eskizuokite idėjas

Watsonas ir Crickas nebuvo vieninteliai, nagrinėjantys 3D DNR modelį. Jie net nebuvo pirmieji. Biocheminių duomenų atraižos galėjo būti naudojamos įvairioms molekulinėms formoms sukurti, ir buvo daug variantų.

Problemos sąlygos visiems buvo vienodos. 1953 m. Pradžioje jau buvo aišku, kaip veikia nukleotidas:

  • likusi fosforo rūgštis,
  • cukrus,
  • viena iš azoto bazių: adeninas (A), guaninas (G), timinas (T) arba citozinas (C).

Taip pat buvo žinoma, kad azoto bazės buvo išbarstytos palei grandinę dėl priežasties: bet kurioje DNR molekulėje bendras adeninų ir guaninų kiekis buvo griežtai lygus timinų ir citozinų kiekiui. Be to, visuose Rosalind Franklin ir Raymondo Goslingo rentgeno spinduliuose, nepriklausomai nuo to, kuris DNR gabalas buvo ant jų įspaustas, pats siūlas buvo vienodo storio. Tai reiškė, kad bet kurios nukleotidų sekos forma išlieka nepakitusi.

Iš šių įžanginių pastabų Linusas Paulingas ir Robertas Corey sudarė savo modelį - trigubą spiralę, šeriančią azoto bazėmis iš visų pusių (biochemikai vidaus šerdies vaidmeniui priskyrė fosfatą ir cukrų). Šis dizainas atrodė nestabilus: nebuvo aišku, kodėl neigiamai įkrautos fosfatų grupės spiralės centre neatstumia viena kitos.

Image
Image

DNR struktūra pagal Paulingą ir Corey

Bruce'as Fraseris išsprendė šią problemą apversdamas konstrukciją iš vidaus: jo versijoje trys siūlai atrodė su fosfatais. Azoto bazės buvo pasuktos į vidų, tačiau Freizeris negalėjo paaiškinti, kaip jos buvo sujungtos.

Stabiliausias buvo „Watson“ir „Crick“modelis su dviguba spirale, susukta į dešinę. Kaip ir Fraseris, mokslininkai fosfatus įdėjo į išorę, o azoto - į vidų. Šiame modelyje taip pat buvo aiškus jų priešinimosi principas: A vienoje grandinėje visada buvo sujungta su T kitoje, o G - su C. Tai paaiškino, kodėl konstrukcijos storis yra stabilus - poros AT ir GC yra maždaug tokio pat dydžio.

Image
Image

Pieštuko eskizas apie DNR struktūrą Francis Crick

Tada buvo ir kitų bandymų surinkti DNR į naują formą. Pavyzdžiui, olandų biochemikas Karstas Hoogsteenas pastebėjo, kad tas pačias nukleotidų poras galima sujungti su kitais veidais - taigi spiralė taip pat išliko stabili, tačiau ji pasirodė plonesnė. Kiti autoriai DNR pavaizdavo kaip spiralę su besikeičiančiais posūkiais į kairę ir į dešinę arba net kaip dvi dvigubas sraigtas, sudarančias vieną ketvertą. Ir nors Watson-Crick dvigubos spiralės egzistavimas nuo to laiko buvo daug kartų patvirtintas, XXI amžiuje žmonės ir toliau spėlioja, kokias formas DNR grandinė užima ląstelės viduje, kur ją pamatyti yra daug sunkiau nei atliekant bandymą. vamzdis. Tiesa, nė viena iš alternatyvių idėjų iki šiol nepasirodė pakankamai gera, kad būtų galima atsisakyti klasikinės dešinės rankos dvigubos spiralės.

Watsonas ir Crickas padarė daugiau nei tik išsprendė ginčą dėl DNR formos. Jų modelis iš karto paaiškino, kaip ši forma veikia: susirašinėjimas vienas su kitu daro kiekvieną siūlą šablonu kitam. Turint tik vieną iš grandinių, visada galima atkurti antrąją išilgai jos - visi šiuolaikiniai genetinės informacijos perdavimo modeliai yra pagrįsti šiuo principu.

Nepaisant to, dauguma „atmestų“idėjų tam tikra prasme pasirodė teisingos. Beveik 70 metų atidžiai tiriant DNR, joje buvo aptikti beveik visi galimi bazinių jungčių tipai, kitos spiralės ir net posūkis į kairę.

Susukite į netinkamą vietą

Pati dviguba spiralė gali būti struktūrizuota įvairiai. Tai pastebėjo Rosalind Franklin, nors nemanė, kad priešais ją yra spiralė ir net dviguba. Įprastomis sąlygomis, panašiomis į ląstelę, biologo nuotraukose esanti DNR buvo „laisva“, kurią Franklinas pavadino B-DNR. Bet jei drėgmė mėgintuvėlyje nukrito žemiau 75 procentų, gauta A-DNR buvo platesnė ir tankesnė.

Image
Image

A (kairėje) ir B (dešinėje) DNR formos, kaip matė Rosalind Franklin

Kaip paaiškėjo vėliau, A-DNR yra tikrai susukta griežčiau: spiralės pasukimui reikia 10 nukleotidų, o ne 11, kaip B-DNR. Ir jie yra ne statmeni spiralės simetrijos ašiai, bet kampu: jei B-DNR nukleotidai paprastai vaizduojami kaip horizontalios linijos, A-DNR jie turėtų būti nubrėžti įstrižai.

Watsonas ir Crickas savo modelio pagrindu pasirinko B-DNR ir buvo teisūs. Vėliau paaiškėjo, kad B variantas iš tikrųjų ląstelėje pasitaiko daug dažniau, o dabar jis laikomas pagrindine DNR egzistavimo forma, o visi nukrypimai dažnai žymimi bendru terminu „ne B DNR“.

Be to, tikra dviguba spiralė beveik niekada neatitinka savo idiliško modelio. Gyvose sistemose B-DNR paprastai yra susukta šiek tiek daugiau, nei prognozavo Watsonas ir Crickas, o vidutinis nukleotidų skaičius viename spiralės posūkyje yra ne 10 ar 11, o apie 10,5. Be to, atskiros poros nukleotidų nuolat nukrypsta nuo nustatytos „horizontalios“padėties (tai vadinama „sraigto posūkiu“), todėl spiralė niekada nėra visiškai lygi ir lygi - šen ir ten šonuose išlieka šiurkštumas: nukleotidų galai skirtingais kampais.

Image
Image

„Propelerinis“nukleotidų posūkis B-DNR

Vėliau paaiškėjo, kad spiralės ritės gali ne tik slysti ar atsipalaiduoti, bet ir visiškai pasukti prieš laikrodžio rodyklę (pavyzdžiui, Maskvos miesto Evolution bokšto spiralė, aiškiai simbolizuojanti DNR grandinę, yra pasukta į kairę). Keistu sutapimu, būtent tokia DNR buvo matoma 1979 m., Kai pagaliau buvo galima ištirti didelės skiriamosios gebos nukleorūgštis. Tai vis dar buvo dviguba spiralė, tačiau visiškai kitokios formos: 12 nukleotidų per posūkį, net plonesnė už B-DNR ir susukta ne į dešinę, o į kairę. Iš paviršiaus kyšančios fosfatų grupės sudarė ne lygią spiralę, o zigzagą, todėl naujoji versija buvo vadinama Z forma.

Image
Image

A-DNR (kairėje), B-DNR (centre), Z-DNR (dešinėje)

Tai, žinoma, nereiškė, kad Watson-Crick modelis buvo neteisingas. Z forma buvo gauta gana egzotiškomis sąlygomis - tirpale su didele druskų koncentracija. O ląstelėje jis taip pat gaunamas iš B-DNR tik tam tikromis aplinkybėmis: pavyzdžiui, kai grandinės „įtampa“yra per didelė ir ji turi būti atleista. Įtampa atsiranda dėl per didelio sukimosi: DNR sruogos jau yra suvyniotos viena kitos atžvilgiu, tačiau jų suformuota dviguba spiralė sukasi aplink kokį nors baltymą (pavyzdžiui, histoną), įvyksta vadinamasis supervijimas. Perėjimas prie Z formos padeda sumažinti įtampą ir atpalaiduoti nereikalingus posūkius - ir tai, savo ruožtu, yra svarbu, kad transkripcijos metu nauji baltymai galėtų prisijungti prie DNR, pavyzdžiui, polimerazės.

Todėl genų transkripcijos metu DNR dažnai įgauna Z formą. Be to, kuo daugiau Z-DNR, tuo aktyvesnė transkripcija. Histonai negali prisijungti prie Z-DNR, todėl niekas netrukdo polimerazei atlikti savo darbo. Ir tai, beje, aktyviai naudoja naviko ląstelės, kuriose prieš jiems reikalingus genus laiku pasirodo kairiarankė spiralė.

Image
Image

Evoliucijos bokštas (pirmame plane) atrodo kaip kairiarankė DNR

Tada buvo rastos kitos dvigubos spiralės formos. Priklausomai nuo drėgmės, druskos kiekio ir nukleotidų sekos tam tikrame regione, DNR gali būti dar labiau pailga (E-DNR) arba susitraukti (C- ir D-DNR), apimti metalo jonus (M-DNR) arba būti ištempta kad vietoj azoto bazių spiralės centre atsirastų fosfatų grupės (S-DNR). Ir po to, kai į sąrašą buvo įtraukti kiti intracelulinės DNR tipai, tokie kaip branduolinė N-DNR ir rekombinantinė R-DNR (kurios vis dėlto buvo įtrauktos į šį sąrašą ne dėl savo formos, bet padėties ląstelėje ar kilmės), anglų kalbos abėcėlės DNR variantams, raidės beveik nepasiekiamos. Kiekvienas, nusprendęs atidaryti dar ne kanoninę formą, turės pasirinkti iš penkių nemokamų: F, Q, U, V ir Y.

Abėcėlinis DNR formų sąrašas

  • A-DNR yra dvigubos grandinės, šiek tiek storesnė nei B.
  • B-DNR sukūrė Watsonas ir Creekas.
  • C-DNR yra dvigubos grandinės, 9, 3 nukleotidai per posūkį.
  • D-DNR yra dviguba, siaura: 8 nukleotidai per posūkį, turi daug timinų.
  • E-DNR yra dvigubos grandinės, dar siauresnė: 15 nukleotidų per du posūkius.
  • G-DNR yra keturkampė spiralė su guanino tetradomis.
  • H-DNR yra triguba spiralė.
  • I-DNR yra dvi dvigubos spiralės, kurias kartu traukia jų citozinai.
  • J-DNR yra dar viena triguba spiralė, suformuota AC pasikartojimų.
  • K -DNR - DNR iš tripanosomų, ypač gausu adeninų.
  • L-DNR- DNR, pagrįsta L-deoksiriboze (ne D- kaip įprasta).
  • M-DNR-B-DNR komplekse su dvivalenčiais metalais.
  • N-DNR yra branduolinė DNR.
  • O-DNR yra pradinis DNR padvigubėjimo taškas bakteriofage λ.
  • P-DNR yra Paulingo-Corey triguba spiralė.
  • R -DNR - rekombinantinė DNR (gaunama įterpiant svetimą fragmentą).
  • S-DNR yra dvigubos grandinės, pailga 1,6 karto stipresnė už B formą.
  • T-DNR-panaši į D formą, randama T2 bakteriofage.
  • W-DNR yra Z-DNR sinonimas.
  • X-DNR yra dvigrandė spiralė, suformuota AT pakartojimų.
  • Z-DNR yra dviguba, kairiarankė.

Įsitraukite į gniaužtus

Be visų rūšių dvigubų spiralių formų ir jų pynimo būdų, DNR kartais suskaido į atskiras sruogas, kurios susiformuoja į plaukų segtukus, kryžius ir kitas dvigubas sruogas. Taip pat atsitinka, kad jau esanti dviguba spiralė yra apaugusi naujais kaimynais.

1985 metais paaiškėjo, kad Paulingas ir Corey prieš trisdešimt metų buvo teisūs: egzistuoja triguba DNR spiralė (H-DNR). Tačiau jis nėra sutvarkytas taip, kaip jie tikėjosi. Tikroje triguboje spiralėje dvi grandinės yra sujungtos standartiniu Watson-Crick būdu, o trečioji greta jų yra šoninė, gulinti dideliame grioveliu tarp grandinių. Šiuo atveju trečiojo, papildomo sriegio azotinės bazės prie pagrindinių porų prijungtos ne klasikiniu būdu, o tarsi iš šono - pačiomis Karst Hoogsteen prognozuojamomis jungtimis. Jis irgi tam tikra prasme buvo teisus.

Trigubas spiralė, kaip ir daugelis alternatyvių DNR formų, taip pat atsiranda reaguojant į grandinės perviršį. Tačiau, skirtingai nei Z forma, ji nepalaiko transkripcijos, bet, priešingai, trukdo jai. RNR polimerazė, kuri paprastai pynia dvi sruogas priešais save, ne visada susiduria su triplekso atskyrimu. Todėl, jei gene ar jo reguliavimo regionuose susidaro triguba spiralė, ji veikia blogiau nei kiti.

Image
Image

Trigubos spiralės formavimo variantai. „Watson-Crick“poros nurodytos juodai, papildomas trečiasis nukleotidas paryškintas

Taip pat atsitinka, kad vienu metu yra sujungtos ne dvi ar ne trys, o keturios DNR grandinės. Kad tai įvyktų, keturi guanino nukleotidai turi susitikti vienoje vietoje - nesvarbu, ar jie yra dviejose tos pačios grandinės sruogose, ar keturiose skirtingose, tarpusavyje nesusijusiose. Kiekvienas guaninas su dviem kaimynais sudaro neklasikinę Hoogsteeno porą ir kartu sudaro kvadratinį guanino tetradą. Jei šalia jų yra kitų guaninų, galinčių sukurti kvadratą, tada iš jų susidaro krūva - krūva, kurioje šalia laikomos keturios DNR grandinės.

Image
Image

Guanino tetradas (viršuje) ir grandinių išdėstymo keturkampyje galimybės (apačioje)

Visus 30 metų, prabėgusių nuo keturkampių atradimo, daugėja procesų, kuriuose jie kažkaip dalyvauja. Jau žinoma daugiau nei du šimtai baltymų, galinčių selektyviai atpažinti guanino tetradus - pastarieji tikriausiai atlieka tam tikro genetinio žymėjimo vaidmenį, dar vieną būdą reguliuoti genų pakavimą ir transkripciją. Pavyzdžiui, jie dažnai randami skirtingų genų promotoriuose (reguliavimo regionuose, nuo kurių prasideda transkripcija). Visai neseniai mokslininkams net pavyko atskirti skirtingas krūties vėžio rūšis per keturkampių rinkinius, kurie savo ruožtu priklausė nuo to, kurie navikai ląstelių genai buvo pernelyg aktyvūs.

Kuo toliau žiūrime į DNR molekulę, tuo labiau pastebime nukrypimų nuo seniai žinomo modelio. Dviguba spiralė yra ne vienintelė ir ne galutinė DNR struktūra, bet tik viena (nors ir dažniausia) iš pozų, kurias ji atlieka nuolatiniame šokyje. Paklusdamas nukleotidų sekos diktatui, DNR grandinė susitraukia ir išsiplečia, lenkiasi, sukasi ir įgauna begalę (gražių) formų. Nė viena iš jų nėra galutinė: alternatyvios DNR struktūros transformuojasi viena į kitą, konkuruoja su B forma ir viena su kita, paklūsta ląstelių baltymų signalams ir patys vadovauja savo darbui.

Rasti ir vadovauti

Nekanoninės DNR formos, nepaisant jų įvairovės, nepasirodo atsitiktinėse vietose. Stabilumą jiems suteikia tam tikras jų sudėties nukleotidų rinkinys, todėl jie atsiranda tik tose grandinės dalyse, kur yra jiems „patogi“seka.

Taigi, pavyzdžiui, DNR yra tam tikri regionai, kurie ypač nori sulankstyti į zigzagą. Tai yra tos vietos, kuriose keičiasi G-C poros: jose pasukus į kairę, kas antras nukleotidas įgauna „netaisyklingą“formą, taigi ir visas Z formos profilis. Tai reiškia, kad sekas, kurios linkusios įgauti Z formą, galima rasti tekste - jei matote HZGZGZGZHZHZ, vargu ar suklysite. Pavyzdžiui, viename darbe jie suskaičiavo 391 tokį žmogaus genomo regioną.

Vietos, kuriose gali susidaryti triguba spiralė, taip pat gali būti atpažįstamos pagal būdingą nukleotidų seką. Trečioji grandinė pritvirtinta pagal papildomumo principą - tai yra, prie G poros pridedamas kitas G, sudarantis G -C * G, arba „prie savosios“- ir paaiškėja, kad G * G -C. Todėl tokia konstrukcija dažnai pasitaiko tose DNR vietose, kur eina iš eilės keli identiški (pavyzdžiui, YYYYG) arba chemiškai panašūs (AGGAAG) nukleotidai ir kur jie sudaro palindrominius (veidrodinius) kartojimus.

Lygiai taip pat iš DNR teksto galima numatyti keturkampių išvaizdą. Remiantis tik vienos sekos nustatymo rezultatais (tiesą sakant, tiesioginiu DNR vertimu į raides), žmogaus genome jų buvo rasta daugiau nei 700 tūkst. Tikėtina, kad ne visi jie bus rasti in vivo - todėl atitinkamos DNR grandinės turi būti arti viename sudėtingo ląstelių branduolio taške, tačiau tai gali reikšti, kad keturių spiralių struktūros turi tam tikrą vaidmenį gyvenime ląstelės.

Alternatyvių DNR formų susidarymas ne visada duoda naudos ląstelėms: dauguma jų yra daug mažiau patvarios nei įprasta B-DNR ir lūžta daug dažniau. Todėl sekos, linkusios formuoti ne B formas, tampa genetinio nestabilumo ir padidėjusios mutagenezės vietomis. Kai kurie tyrinėtojai tai laiko evoliucijos varikliu - jei tokie regionai atsiranda genuose, susijusiuose su organizmo vystymusi. Kiti kaltina alternatyvias DNR formas dėl visų rūšių ligų, susijusių su atsitiktinėmis mutacijomis ir genomo pertvarkymu - nuo navikų iki šizofrenijos ir autizmo.

Pasirodo, kad DNR yra ne tik informacija apie ląstelių baltymų ir RNR struktūrą, bet ir tai, kokios formos ši informacija gali būti, be Watson-Crick standarto. Ir šios formos savo ruožtu lemia, kas nutiks šiai informacijai: ar ląstelė gali ją realizuoti, ar genas, amžinai tylės, ar net visai suskaidys, sukels papildomų mutacijų.

Tikriausiai vieną dieną išmoksime trukdyti šiam procesui - pavyzdžiui, galėtume sukurti nukleotidų grandinę, kuri imituotų trečiąją spiralės sruogą ir „nuslystų“reikiamu laiku tinkamoje vietoje, kad užblokuotų darbą. kažkoks nepageidaujamas genas ląstelėje. Buvo dar drąsesnių pasiūlymų - naudoti trigubą spiralę tiksliniam genomo redagavimui: į ląstelę įvesti nukleotidą, kuris gali sudaryti trigubą spiralę su tiksline DNR sritimi ir paskatinti remonto sistemą pakeisti šią sritį „sveiku“variantu iš kitos chromosoma.

Ir nors mes tik to mokomės, belieka atpažinti DNR struktūrą kaip kitos rūšies informaciją - be genetinės (nukleotidų „tekstas“) ir epigenetinės (genų prieinamumo skaitymui) -, kuri neša mūsų genomą. Ir dar turime išmokti su juo dirbti, daryti įtaką turiniui per formą arba atvirkščiai.

Rekomenduojamas: