Неканоническое спаривание оснований

редактировать

Неканоническое спаривание оснований происходит, когда нуклеооснований водородная связь или пара оснований друг с другом в схемах, отличных от стандартных пар оснований Уотсона-Крика (которые представляют собой аденин (A) - тимин (T) в ДНК, аденин (A) - урацил (U) в РНК и гуанин (G) - цитозин (C) как в ДНК, так и в РНК). Существует три основных типа неканонических пар оснований: те, которые стабилизированы полярными водородными связями, те, которые взаимодействуют между группами C-H и O / N, и те, которые имеют водородные связи между самими основаниями. Первыми обнаруженными неканоническими парами оснований являются пары оснований Хугстина, которые впервые были описаны американским биохимиком Карстом Хугстином.

Неканонические пары оснований обычно встречаются во вторичной структуре РНК (например, спаривание G с U) и в распознавании тРНК. Обычно они менее стабильны, чем стандартные пары оснований. Присутствие неканонических пар оснований в двухцепочечной ДНК приводит к разрыву двойной спирали.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Структура
    • 2.1 Спаривание оснований
      • 2.1.1 Краевые взаимодействия
      • 2.1.2 Классификация
    • 2.2 Типы
      • 2.2.1 Пары оснований Хугстина
      • 2.2.2 Колебательные пары оснований
  • 3 3-D структура
    • 3.1 Вторичный
    • 3.2 Третичный
  • 4 Экспериментальные методы
  • 5 Приложения
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки

История

Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали двойную спираль структуры ДНК и предложил канонические пары оснований Уотсона-Крика в 1953 году. Десять лет спустя, в 1963 году, Карст Хугстин сообщил, что он использовал дифракцию рентгеновских лучей на монокристалле для исследования альтернативных структуры пар оснований, и он нашел альтернативную структуру для пары нуцелобаз аденин-тимин, в которой пурин (A) принимает альтернативную конформацию по сравнению с пиримидином (T). Спустя пять лет после того, как Хугстин предложил пару оснований A-T Хугстина, были опубликованы спектры оптической вращательной дисперсии, которые предоставили доказательства наличия пары оснований G-C Hoogsteen. Пара оснований G-C Hoogsteen была впервые обнаружена с помощью рентгеновской кристаллографии несколько лет спустя, в 1986 году, путем совместной кристаллизации ДНК с триостином A (антибиотиком ). В конечном итоге, после многих лет изучения пар оснований Уотсона-Крика и Хугстина, было определено, что оба они встречаются в ДНК в природе и существуют в равновесии друг с другом; условия, в которых существует ДНК, в конечном итоге определяют, какая форма будет предпочтительнее. С тех пор как были определены структуры канонических пар оснований Уотсона-Крика и неканонических пар оснований Хугстина, были представлены и описаны многие другие типы неканонических пар оснований.

Структура

Спаривание оснований

Рисунок 2: Край спаривания оснований нуклеотидных оснований. Верхний рисунок представляет собой пример пурина (аденина), края которого известны как Watson-Crick, Hoogsteen и Sugar Edges. Нижний рисунок представляет собой пример пиримидина (цитозина) с краями Уотсона-Крика, C-H и сахарными краями

Приблизительно 60% оснований в структурированной РНК участвуют в канонических парах оснований Уотсона-Крика. Спаривание оснований происходит, когда два основания образуют водородные связи друг с другом. Эти водородные связи могут быть полярными или неполярными взаимодействиями. Полярные водородные связи образуются взаимодействиями N-H... O / N и / или O-H... O / N. Между C-H... O / N образуются неполярные водородные связи.

Краевые взаимодействия

Каждое основание имеет три потенциальных края, где оно может взаимодействовать с другим основанием. Основания пурина имеют 3 края, которые могут образовывать водородные связи. Они известны как край Уотсона-Крика (WC), край Хугстина (H) и край Сахара (S). Пиримидиновые основания также имеют три края водородных связей. Как и у пиримидина, есть ребро Уотсона-Крика (WC) и ребро Сахара (S), но третье ребро называется ребром «C-H» (H). Это ребро C-H иногда также называют ребром Хугстина для простоты. На рисунке 2 показаны различные края пуриновых и пиримидиновых оснований.

Рисунок 3: Цис- и транс-ориентации гликозидной связи в парах оснований РНК.

Помимо трех краев взаимодействия пары оснований также различаются в различных цис-парах. / трансформ. Цис- и транс-структуры зависят от ориентации рибозного сахара по сравнению с взаимодействием водородных связей. Эти различные ориентации показаны на рис. 3. С цис / транс-формами и 3 краями водородных связей существует 12 основных типов геометрии спаривания оснований, которые можно найти в структурах РНК. Эти 12 типов WC: WC (цис / транс), W: HC (цис / транс), WC: S (цис / транс), H: S (цис / транс), H: H (цис / транс) и S: S (цис / транс).

Классификация

Эти 12 типов можно далее разделить на большее количество подгрупп, которые зависят от направленности гликозидных связей и стерических удлинений. Со всеми различными комбинациями пар оснований существует 169 теоретически возможных комбинаций пар оснований. Однако количество фактических комбинаций пар оснований намного меньше, поскольку некоторые из комбинаций приводят к неблагоприятным взаимодействиям. Это количество возможных неканонических пар оснований все еще определяется, поскольку оно очень зависит от критериев спаривания оснований. Понимание конфигурации пары оснований затруднено, поскольку спаривание очень зависит от окружения баз. Эти окружения состоят из соседних пар оснований, соседних петель или третьего взаимодействия, такого как тройка оснований.

Рисунок 4: 6 параметров твердого тела

Поскольку различные основания жесткие и плоские, соединение между ними оснований хорошее. определены. Пространственные взаимодействия между двумя основаниями можно классифицировать по 6 параметрам твердого тела или параметрам пары оснований (3 поступательных, 3 вращательных), как показано на рисунке 4. Эти параметры описывают трехмерное подтверждение пар оснований. Три способа перемещения известны как сдвиг, растяжение и колебание. Эти три параметра напрямую связаны с близостью и направлением парных водородных связей. Вращательные механизмы - пряжка, пропеллер и открывание. Вращательные устройства относятся к неплоскому подтверждению по сравнению с идеальной компланарной геометрией. Параметры пары оснований используются для определения структуры и стабильности неканонических пар оснований. Эти параметры были первоначально созданы для пар оснований в ДНК, но также могут соответствовать неканоническим базовым моделям.

Типы

Наиболее распространенными неканоническими парами оснований являются транс-A: G Hoogsteen / сахарный край, A: U Hoogsteen / WC и G: U Пары колебаний.

Пары оснований Hoogsteen

Рисунок 5: Пример неканонического спаривания оснований. Показана пара оснований Hoogsteen AU.

Пары оснований Hoogsteen встречаются между аденином (A) и тимином (T), а также гуанином (G) и цитозином (C), аналогично парам оснований Watson-Crick; однако пурин принимает альтернативную конформацию по сравнению с пиримидином. В паре оснований AU Hoogsteen аденин повернут на 180 ° вокруг гликозидной связи, что приводит к альтернативной схеме водородных связей, которая имеет одну водородную связь, общую с парой оснований Уотсона-Крика (аденин N6 и тимин N4), в то время как другой, вместо того, чтобы встречаться между аденином N1 и тимином N3, как в паре оснований Уотсона-Крика, встречается между аденином N7 и тимином N3. Пара оснований A-U показана на фиг. 5. В паре оснований G-C Watson-Crick, как и в паре оснований A-T Хугстина, пурин (гуанин) повернут на 180 ° вокруг гликозидной связи, в то время как пиримидин (цитозин) остается на месте. Одна водородная связь из пары оснований Watson-Crick сохраняется (гуанин O6 и цитозин N4), а другая возникает между гуанином N7 и протонированным цитозином N3 (обратите внимание, что пара оснований Hoogsteen GC имеет две водородные связи, в то время как GC Watson-Crick пара оснований имеет три).

Рисунок 6: Четыре примера пар оснований колебания.

Пары оснований колебания

Спаривание оснований колебания происходит между двумя нуклеотидами, которые не являются парами оснований Уотсона-Крика. Четыре основных примера - гуанин-урацил (G-U), гипоксантин-урацил (I-U), гипоксантин-аденин (I-A) и гипоксантин-цитозин (I-C). Эти пары оснований колебания очень важны в тРНК. У большинства организмов менее 45 молекул тРНК, но 61 молекула тРНК необходима для канонического спаривания с кодоном. Колебание пар оснований было предложено Уотсоном в 1966 году. Колебательное спаривание оснований позволяет использовать 5'-антикодон с нестандартной парой оснований. Примеры пар оснований колебания приведены на рисунке 6.

3-D структура

Вторичные и трехмерные структуры РНК образуются и стабилизируются с помощью неканонических пар оснований. Пары оснований образуют множество вторичных структурных блоков, которые помогают сворачиванию комплексов РНК и трехмерных структур. Общая свернутая РНК стабилизируется за счет канонического спаривания оснований третичной и вторичной структур. Из-за множества неканонических пар оснований существует неограниченное количество структур, которые позволяют выполнять разнообразные функции РНК. Расположение неканонических оснований позволяет осуществлять дальнодействующие взаимодействия РНК, распознавание белков и других молекул и структурных стабилизирующих элементов. Многие из общих неканонических пар оснований могут быть добавлены к стэку РНК-стебля без нарушения его спирального характера.

Вторичный

Рис. 7: На нем изображена шпильчатая структура, обнаруженная в пре-м-РНК

Основные вторичные структурные элементы РНК включают выпуклости, двойные спирали, шпильки и внутренние петли. Пример шпилечной петли РНК приведен на рисунке 7. Как показано на рисунке шпилька-петля и внутренние петли требуют внезапного изменения направления остова. Неканоническая пара оснований позволяет повысить гибкость соединений или поворотов вторичной структуры.

Третичная

Рисунок 8: Пример трехмерной структуры Псевдоузла.

Формируются трехмерные структуры через дальнодействующие внутримолекулярные взаимодействия между вторичными структурами. Это приводит к образованию псевдоузлов, рибозных застежек-молний, ​​целующихся петель шпильки или коаксиальных псевдопрерывных спиралей. Трехмерные структуры РНК в первую очередь определяются с помощью молекулярного моделирования или компьютерных измерений. Пример псевдоузла приведен на рисунке 8.

Экспериментальные методы

Каноническое спаривание оснований Уотсона-Крика - не единственная сквозная конформация, возможная для нуклеотида, поскольку неканоническое спаривание тоже может иметь место. Сахарно-фосфатный остов имеет ионный характер, что делает основания чувствительными к окружающей их среде, что приводит к конформационным изменениям, таким как неканоническое спаривание. Существуют различные методы прогнозирования этих конформаций, такие как определение структуры ЯМР и рентгеновская кристаллография.

Приложения

РНК имеет множество целей во всей клетке, включая множество важных этапов. в экспрессии гена. Различные конформации пар оснований, отличных от Watson-Crick, позволяют выполнять множество биологических функций, таких как сплайсинг мРНК, миРНК, транспорт, распознавание белков, связывание с белками и трансляция..

Один пример биологического применения неканонических пар оснований в повороте кинка. Изгиб-поворот встречается у многих функциональных видов РНК. Он состоит из трех нуклеотидных остатков, образованных тремя парами оснований Хугстина. Этот изгиб действует как маркер, по которому могут связываться различные белки, такие как белок 15-5k человека или белки семейства L7Ae. Похожий сценарий описан в связывании РНК элемента Rev-response element (RRE) ВИЧ-1. РНК имеет очень широкую глубокую бороздку, которая образована цис-парой Ватсона-Крика G: пара, за которой следует транс-Ватсон-Крик G: G. Элемент Rev-ответа ВИЧ-1 затем может связываться из-за углубленной бороздки.

См. Также

Ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-31 11:58:44
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте