Войти
Структура Z-ДНК. Протеопедия Z-ДНК Z-ДНК является одной из многих возможных двойной спиральной структур ДНК. Это левосторонняя двойная спиральная структура, в которой спираль закручивается зигзагообразно влево, а не вправо, как в более распространенной форме B-ДНК. Z-ДНК считается одной из трех биологически активных двойных спиральных структур наряду с A-ДНК и B-ДНК.
Левосторонняя ДНК была впервые обнаружена и их коллегами во время изучения повторяющегося полимера из инозина - цитозина. Они наблюдали спектр «обратного» кругового дихроизма для таких ДНК и интерпретировали это (правильно) как означающее, что нити намотаны друг на друга левосторонним образом. Связь между Z-ДНК и более известной B-ДНК была указана в работе Пола и Джовина, которые показали, что ультрафиолетовый круговой дихроизм поли (dG-dC) почти инвертирован в 4 М раствор хлорида натрия. Подозрение на то, что это было результатом преобразования из B-ДНК в Z-ДНК, было подтверждено исследованием спектров комбинационного рассеяния этих растворов и кристаллов Z-ДНК. Впоследствии была опубликована кристаллическая структура «Z-ДНК», которая оказалась первой монокристаллической рентгеновской структурой фрагмента ДНК (самокомплементарный гексамер ДНК d (CG) 3). Он был разрешен как левая двойная спираль с двумя антипараллельными цепями, которые удерживались вместе парами оснований Уотсона-Крика (см. рентгеновская кристаллография ). Его решили Эндрю Х. Дж. Ван, Александр Рич и его сотрудники в 1979 году в MIT. Кристаллизация соединения B-Z-ДНК в 2005 г. дала лучшее понимание потенциальной роли Z-ДНК в клетках. Всякий раз, когда образуется сегмент Z-ДНК, на его двух концах должны быть соединения B – Z, связывающие его с B-формой ДНК, обнаруженной в остальной части генома.
В 2007 году РНК версия Z-ДНК, Z-РНК, была описана как преобразованная версия двойной спирали в левую спираль. Однако переход от A-РНК к Z-РНК был уже описан в 1984 году.
B – Z-соединение, связанное с Z-ДНК-связывающим доменом. Обратите внимание на две выделенные выдавленные основы. Из PDB : 2ACJ .Z-ДНК сильно отличается от правосторонних форм. Фактически, Z-ДНК часто сравнивают с B-ДНК, чтобы проиллюстрировать основные различия. Спираль Z-ДНК является левой и имеет структуру, повторяющую все остальные пары оснований. Большая и малая бороздки, в отличие от A- и B-ДНК, мало отличаются по ширине. Формирование такой структуры в целом неблагоприятно, хотя определенные условия могут этому способствовать; такие как чередующаяся последовательность пурин - пиримидин (особенно поли (dGC) 2), отрицательная суперспирализация ДНК или высокое содержание соли и некоторые катионы (все при физиологической температуре 37 ° C и pH 7,3–7,4). Z-ДНК может образовывать соединение с B-ДНК (так называемая «соединительная коробка от B к Z») в структуре, которая включает экструзию пары оснований. Конформация Z-ДНК была трудна для изучения, потому что она не существует как стабильный элемент двойной спирали. Вместо этого это временная структура, которая иногда индуцируется биологической активностью, а затем быстро исчезает.
Можно предсказать вероятность того, что последовательность ДНК образует Z -Структура ДНК. Алгоритм для предсказания склонности ДНК к переходу из B-формы в Z-форму, ZHunt, был написан в 1984 г. в MIT. Этот алгоритм был позже разработан Трейси Кэмп и для картирования Z-ДНК по всему геному (с Но в качестве главного исследователя).
С момента открытия и кристаллизации Z-ДНК в 1979 году, конфигурация оставила ученых в недоумении относительно пути и механизма от конфигурации B-ДНК к конфигурации Z-ДНК. Конформационные изменения от B-ДНК к структуре Z-ДНК были неизвестны на атомном уровне, но в 2010 году компьютерное моделирование, проведенное Lee et al. смогли с помощью вычислений определить, что пошаговое распространение перехода от B к Z обеспечит более низкий энергетический барьер, чем предполагаемый ранее согласованный механизм. Поскольку это было доказано с помощью вычислений, путь по-прежнему необходимо будет протестировать экспериментально в лаборатории для дальнейшего подтверждения и валидности, в которых Lee et al. В частности, в своей журнальной статье говорится: «Текущий [расчетный] результат может быть проверен с помощью экспериментов с FRET с одной молекулой (smFRET) в будущем». В 2018 году путь от B-ДНК к Z-ДНК был экспериментально доказан с помощью тестов smFRET. Это было выполнено путем измерения значений интенсивности между донорными и акцепторными флуоресцентными красителями, также известными как флуорофоры, по отношению друг к другу, когда они обмениваются электронами, будучи прикрепленными к молекуле ДНК. Расстояния между флуорофорами можно использовать для количественного расчета изменений близости красителей и конформационных изменений в ДНК. Z-ДНК с высокой аффинностью связывающий белок, hZαADAR1, использовали в различных концентрациях, чтобы вызвать трансформацию из B-ДНК в Z-ДНК. Анализы smFRET выявили переходное состояние B *, которое образовалось в результате связывания hZαADAR1, накопленного на структуре B-ДНК и стабилизировавшего ее. Этот шаг выполняется, чтобы избежать высокой энергии соединения, при которой структура B-ДНК может претерпевать конформационные изменения в структуре Z-ДНК без серьезных разрушительных изменений энергии. Этот результат совпадает с результатами расчетов Lee et al. доказывая, что механизм является ступенчатым, и его цель состоит в том, что он обеспечивает более низкий энергетический барьер для конформационного изменения конфигурации B-ДНК в Z-ДНК. Вопреки предыдущему представлению, связывающие белки на самом деле не стабилизируют конформацию Z-ДНК после того, как она сформирована, но вместо этого они фактически способствуют образованию Z-ДНК непосредственно из конформации B *, которая формируется B-ДНК.
Биологическая роль Z-ДНК в регуляции интерфероновых ответов типа I была подтверждена в исследованиях трех хорошо охарактеризованных редких менделевских болезней : Дисхроматоз Symmetrica Hereditaria (OMIM: 127400), синдром Айкарди-Гутьера (OMIM: 615010) и двусторонний стриарный некроз / дистония. Семьи с гаплоидным транскриптомом ADAR позволили картировать варианты Zα непосредственно на заболевание, показывая, что генетическая информация кодируется в ДНК как по форме, так и по последовательности.. Роль в регуляции ответа интерферона I типа при раке также подтверждается данными о том, что выживание 40% панели опухолей зависело от фермента ADAR.
В предыдущих исследованиях Z-ДНК была связана как с болезнью Альцгеймера, так и с системной красной волчанкой. Чтобы продемонстрировать это, было проведено исследование ДНК, обнаруженной в гиппокампе мозга, который был нормальным, умеренно пораженным болезнью Альцгеймера и серьезно пострадал от болезни Альцгеймера. Благодаря использованию кругового дихроизма, это исследование показало присутствие Z-ДНК в ДНК тех, кто серьезно пострадал. В этом исследовании также было обнаружено, что основные части умеренно пораженной ДНК находились в промежуточной конформации B-Z. Это важно, поскольку на основании этих результатов был сделан вывод, что переход от B-ДНК к Z-ДНК зависит от прогрессирования болезни Альцгеймера. Кроме того, Z-ДНК связана с системной красной волчанкой (СКВ) благодаря присутствию встречающихся в природе антител. Значительные количества антител против Z-ДНК были обнаружены у пациентов с СКВ и не присутствовали при других ревматических заболеваниях. Есть два типа этих антител. С помощью радиоиммуноанализа было обнаружено, что одно взаимодействует с основаниями, экспонированными на поверхности Z-ДНК и денатурированной ДНК, а другое взаимодействует исключительно с зигзагообразным остовом только Z-ДНК. Как и при болезни Альцгеймера, антитела различаются в зависимости от стадии заболевания, при этом максимальное количество антител наблюдается на наиболее активных стадиях СКВ.
Считается, что Z-ДНК обеспечивает торсионное напряжение снятие напряжения во время транскрипции, и это связано с отрицательная суперспирализация. Однако, хотя суперспирализация связана как с транскрипцией, так и с репликацией ДНК, образование Z-ДНК в первую очередь связано со скоростью транскрипции.
Исследование хромосомы 22 человека показало корреляцию между Z-ДНК формирование областей и областей промотора для ядерного фактора I. Это предполагает, что транскрипция в некоторых генах человека может регулироваться образованием Z-ДНК и активацией ядерного фактора I.
Последовательности Z-ДНК, расположенные ниже промоторных областей, стимулируют транскрипцию. Наибольшее увеличение активности наблюдается, когда последовательность Z-ДНК размещается на три спиральных витка после промоторной последовательности. Более того, Z-ДНК вряд ли образует нуклеосомы, которые часто расположены после последовательности, образующей Z-ДНК. Предполагается, что из-за этого свойства Z-ДНК кодирует позиционирование нуклеосом. Поскольку расположение нуклеосом влияет на связывание факторов транскрипции, считается, что Z-ДНК регулирует скорость транскрипции.
Развивается на пути РНК-полимеразы через отрицательная суперспирализация, Z-ДНК, образованная посредством активной транскрипции, как было показано, увеличивает генетическую нестабильность, создавая склонность к мутагенезу вблизи промоторов. Исследование Escherichia coli обнаружило, что делеции гена спонтанно возникают в областях плазмиды, содержащих Z-ДНК-образующие последовательности. Было обнаружено, что в клетках млекопитающих присутствие таких последовательностей вызывает делеции больших геномных фрагментов из-за хромосомных двухцепочечных разрывов. Обе эти генетические модификации были связаны с транслокациями гена, обнаруженными при раковых заболеваниях, таких как лейкемия и лимфома, поскольку области разрыва в опухолевых клетках построены вокруг Z-ДНК-образующих последовательностей. Однако более мелкие делеции в бактериальных плазмидах были связаны с проскальзыванием репликации, в то время как более крупные делеции, связанные с клетками млекопитающих, вызваны репарацией негомологичным соединением концов, которая, как известно, подвержены ошибкам.
Токсический эффект этидия бромида (EtBr) на трипаносомы вызван сдвигом их кинетопластидной ДНК в Z -форма. Сдвиг вызван интеркаляцией EtBr и последующим разрыхлением структуры ДНК, что приводит к раскручиванию ДНК, переходу в Z-форму и ингибированию репликации ДНК.
Первый домен, связывающий Z-ДНК с высокой аффинностью, был обнаружен в ADAR1 с использованием подхода, разработанного Аланом Гербертом. Кристаллографические и ЯМР исследования подтвердили биохимические данные о том, что этот домен связывает Z-ДНК неспецифическим образом. Родственные домены были идентифицированы в ряде других белков благодаря гомологии последовательностей. Идентификация домена Zα предоставила инструмент для других кристаллографических исследований, которые привели к характеристике Z-РНК и соединения B – Z. Биологические исследования показали, что Z-ДНК-связывающий домен ADAR1 может локализовать этот фермент, который модифицирует последовательность вновь образованной РНК на сайты активной транскрипции. Роль Zα, Z-ДНК и Z-РНК в защите генома от Инвазия ретроэлементов Alu у людей превратилась в механизм регуляции врожденных иммунных ответов на дцРНК. Мутации в Zα являются причиной человеческих интерферонопатий, таких как Менделирующий синдром Айкарди-Гутьера..
Поскольку Z-ДНК была исследована более тщательно, было обнаружено, что структура Z-ДНК может связываться со связыванием Z-ДНК белки посредством лондонской дисперсии и водородных связей. Одним из примеров связывающего Z-ДНК белка является белок E3L коровьей оспы, который является продуктом гена E3L и имитирует белок млекопитающих, который связывает Z-ДНК. Белок E3L не только имеет сродство к Z-ДНК, но также было обнаружено, что он играет роль в уровне тяжести вирулентности у мышей, вызываемой вирусом осповакцины, типом поксвируса. Двумя критическими компонентами белка E3L, которые определяют вирулентность, являются N-конец и С-конец. N-конец состоит из последовательности, аналогичной последовательности Z-домена, также называемой z-альфа-доменом аденозиндезаминазы, в то время как С-конец состоит из двухцепочечного РНК-связывающего мотива. Благодаря исследованиям, проведенным Kim, Y. et al. в Массачусетском технологическом институте было показано, что замена N-конца белка E3L на последовательность домена Zα, содержащую 14 связывающих остатков Z-ДНК, подобных E3L, практически не влияет на патогенность вируса у мышей. Напротив, Kim, Y. et al. также обнаружили, что удаление всех 83 остатков N-конца E3L приводило к снижению вирулентности. Это подтверждает их утверждение о том, что N-конец, содержащий связывающие остатки Z-ДНК, необходим для вирулентности. В целом, эти результаты показывают, что аналогичные связывающие остатки Z-ДНК на N-конце белка E3L и в домене Zα являются наиболее важными структурными факторами, определяющими вирулентность, вызываемую вирусом осповакцины, в то время как аминокислотные остатки, не участвующие в Z-ДНК. привязка практически не влияет. Будущее значение этих результатов включает уменьшение связывания Z-ДНК с E3L в вакцинах, содержащих вирус осповакцины, так что негативные реакции на вирус могут быть минимизированы у людей.
Кроме того, Александр Рич и Джин-А Квон обнаружили, что E3L действует как трансактиватор для генов человеческого IL-6, NF-AT и p53. Их результаты показывают, что клетки HeLa, содержащие E3L, имели повышенную экспрессию генов IL-6, NF-AT и p53 человека, а точечные мутации или делеции некоторых связывающих Z-ДНК аминокислотных остатков снижали эту экспрессию. В частности, было обнаружено, что мутации в Tyr 48 и Pro 63 уменьшают трансактивацию ранее упомянутых генов в результате потери водородных связей и лондонских дисперсионных сил между E3L и Z-ДНК. В целом, эти результаты показывают, что уменьшение связей и взаимодействий между Z-ДНК и связывающими белками Z-ДНК снижает как вирулентность, так и экспрессию генов, тем самым показывая важность наличия связей между Z-ДНК и связывающим белком E3L.
Вид сбоку A-, B- и Z-ДНК. 
Ось спирали A-, B- и Z-ДНК. | A-форма | B-форма | Z-форма | |
|---|---|---|---|
| Helix sense | правосторонняя | правый | левый |
| Повторяющийся блок | 1 бит | 1 бит | 2 бит |
| Поворот / bp | 32,7 ° | 34,3 ° | 30 ° |
| bp / оборот | 11 | 10 | 12 |
| Наклон bp к оси | + 19 ° | -1,2 ° | -9 ° |
| Подъем / п.н. вдоль оси | 2,3 Å (0,23 нм) | 3,32 Å (0,332 нм) | 3,8 Å (0,38 нм) |
| Шаг / виток спирали | 28,2 Å (2,82 нм) | 33,2 Å (3,32 нм) | 45,6 Å (4,56 нм) |
| Средний крутящий момент пропеллера | + 18 ° | + 16 ° | 0 ° |
| анти | анти | C: анти,. G: syn | |
| Сахарная складка | C3′-эндо | C2′-эндо | C: C2 '-Эндо,. G: C3'-эндо |
| Диаметр | 23 Å (2,3 нм) | 20 Å (2,0 нм) | 18 Å ( 1,8 нм) |
