Альтернативные структуры ДНК

Рассмотренную структуру ДНК обычно считают од­ним из несомненных фактов молекулярной биологии. Но недавно стало очевидным, что некоторые параметры классической В-формы нужно пересмотреть и даже что ДНК может образовывать другие типы двуспиральных структур.

Проблема определения точных значений параметров двойной спирали связана с тем, что все первоначальные значения были получены при изучении дифракции рентге­новских лучей на волокнах ДНК. По этим данным уста­новлены основные характеристики, такие, как число пар оснований на виток, расстояние между соседними парами вдоль оси спирали. Однако этим методом нельзя опреде­лить положения отдельных атомов, как это делают, ис­пользуя рентгеноструктурный анализ. Поэтому мо­дель уточняют, согласуя расчетную картину дифракции рентгеновских лучей с экспериментальными данными. Теоретически на основе одних и тех же данных всегда можно построить разные модели. Дело в том, что мо­дель удовлетворяет усредненным данным и, следователь­но, в определенных областях структуры возможны вариа­ции. Например, до сих пор мы говорили о ДНК как о длинной, жесткой двойной спирали, но мы знаем, что в действительности она должна быть свернута и плотно уложена, для того чтобы уместиться в клетке. При этом детали ее структуры могут изменяться.

Сейчас считается, что двухцепочечная ДНК-всегда двойная спираль. Однако была предложена и другая модель, хорошо согласующаяся с данными ди­фракции рентгеновских лучей. Согласно этой модели, две антипараллельные цепи ДНК также соединяются путем комплементарного спаривания оснований, но лежат «бок о бок», вместо того, чтобы закручиваться в непрерывную двойную спираль.

Существование ДНК в виде двойной спирали было подтверждено экспериментами, в которых прямо измеряли число пар оснований на виток. Оказа­лось, что их 10,4 вместо 10,0, предсказанных классической В-моделью. Это различие вызвало необходимость не­сколько изменить угол вращения между соседними пара­ми оснований вдоль спирали до 34,6°, так что отрезок спирали, в пределах которого совершается полный виток на 360°, стал несколько длиннее.

Особенно важно, что значение 10,4 является средним для ДНК как целой молекулы при определенных усло­виях. Изменение условий или даже последовательности отдельных оснований может привести к большему или меньшему закручиванию спиральной структуры в со­ответствующих участках.

Действительно, методом рентгеноструктурного анализа было показано, что молеку­ла, состоящая из 12 пар оснований, содержит 10,1 пары оснований на виток, что обеспечивается слабым сдвигом каждой пары оснований, при котором улучшаются меж­плоскостные (стэкинг) взаимодействия между основания­ми, по сравнению с первоначальной моделью.

Ввиду таких вариаций идея о существовании един­ственной структуры двуспиральной ДНК сменилась пред­ставлением, допускающим наличие семейства структур, каждая из которых имеет характерный тип, но проявляет различия по главным параметрам - n (число нуклеотидов на виток) и h (расстояние между соседними повторяющи­мися элементами). Вариации обусловлены изменением вращения отдельных групп вокруг связей, обладающих свободой вращения. В пределах каждого семейства струк­тур параметры могут слабо варьировать. Например, для В-ДНК значение n может составлять от 10,0 до 10,6.

В течение долгого времени были известны три струк­турные формы ДНК, способные к взаимопревращениям при изменении соответствующих условий. В-форма спирали, для которой Уотсон и Крик по­строили свою модель, характерна для волокон ДНК при очень высокой относительной влажности (92%) и в рас­творах низкой ионной силы. Считают, что именно в та­кой форме ДНК обычно находится в живой клетке.

А-форма обнаружена в волокнах ДНК при 75% влажности и нуждается в присутствии ионов натрия, калия или цезия, несущих противоположный заряд. Основания, располагавшиеся строго перпендикулярно оси спирали в В-форме, в А-форме наклонены по отношению к оси спирали, и их число на виток больше. А-форма интересна с биологической точки зрения, так как ее конформация очевидно, близка к структуре гибридов ДНК-РНК и двуспиральных участков РНК (обсуждается далее). Причина этого заключается в том, что 2'-гидроксильная группа мешает ДНК принять В-форму.

С-форма образуется, когда ДНК находится при 66% влажности в присутствии ионов лития. У нее меньше пар оснований на виток, чем у В-ДНК.

В этих трех формах могут находиться все ДНК неза­висимо от их нуклеотидной последовательности. Следую­щие формы характерны только для молекул ДНК с опре­деленными особенностями в составе пар оснований.

D-форма и Е-форма (возможно, крайние варианты одной и той же формы) имеют наименьшее число пар на виток (8 и 7,5) и обнаружены только в определенных мо­лекулах ДНК, не содержащих гуанина.

Z-форма представляет собой наиболее резкий кон­траст с классическим структурным семейством. Эта фор­ма левоспиральная, тогда как все остальные - правоспиральные. Она имеет наибольшее число пар на виток, т.е. менее скрученная и более тонкая. Свое название форма получила из-за зигзагообразной (zigzag) линии, которую образует сахарофосфатный остов вдоль спирали. В отли­чие от этого остов В-формы ДНК образует плавно изгибающуюся линию, что хорошо видно на рис., где сравниваются В- и Z-формы ДНК.

Z-форма двойной спирали найдена в полимерах, обра­зованных чередующимися пурин-пиримидиновыми после­довательностями. Два исследованных полимера состояли из многократно повторенных динуклеотидных пар: poly-d (GC/CG) и poly-d (AC/TG). Буква «d» указывает, что это дезоксиформы, т.е. что это ДНК, а не РНК. Верхний и нижний ряды букв соответствуют двум цепям ДНК.

Z-форма существует только при очень высоких концен­трациях соли (что объясняется необходимостью противо­стоять повышенному электростатическому отталкиванию между нуклеотидами, сжатыми из-за уменьшения диаме­тра двойной спирали Z-ДНК).

Вполне возможно, что Z-форма ДНК имеет опреде­ленное биологическое значение. Об этом свидетельствуют следующие данные: замена остатка С в полимере poly-d(GC/CG) и poly-d на 5-метилцитозин значительно повышает стабильность Z-ДНК при низкой концентрации соли. Единственное различие между 5-Ме-С и С заклю­чается в наличии метильной группы при С-5. Эта моди­фикация цитозина происходит in vivo в результате метилирования динуклеотидной последовательности GC/CG в некоторых участках ДНК. Отсюда вытекает, что Z-ДНК может существовать in vivo при подходящих ус­ловиях, т.е. когда последовательность соответствующего состава окажется в условиях, способствующих образова­нию Z-формы.

До сих пор мы рассматривали ДНК как структуру со­вершенно изолированную. В действительности она связа­на с белками, которые могут оказывать значительное влияние на возможность перехода из В-формы в Z-форму. Например, ДНК, связанная с гистонами (основные хромосомные белки эукариотического ядра), не переходит из одной формы в другую в тех условиях, когда это на­блюдают у свободной ДНК. Таким образом, одним из условий, необходимых для образования Z-ДНК in vivo, по-видимому, является присутствие особых белков, ста­билизирующих ее структуру.

Является ли Z-ДНК единственной левосторонней фор­мой двойной спирали? Модели для левосторонних ва­риантов традиционных А-, В- и С-форм построены так, что, возможно, они и существуют. Следует помнить, что все эти формы сохраняют самую существенную в биоло­гическом смысле особенность двойной спирали: комплементарность спаривания оснований, определяющую специфичность соединения цепей.

При построении моделей каждую форму ДНК рас­сматривают независимо как конструкцию, в которой на­ходится вся молекула в определенных условиях. Но вряд ли это действительно имеет место in vivo. Большинство клеточной ДНК находится, по-видимому, в В-форме с определенными модификациями параметров спирали, варьирующими локально. И только отдельные короткие участки спирали переходят в другие формы.

А-ДНК В -ДНК Z-ДНК

Рис. Нуклеиновые кислоты могут образовывать несколько типов двойной спирали.

А-ДНК В-ДНК Z-ДНК

Таким образом, ДНК может существовать в виде структурных семейств нескольких типов, в зависимости от концентрации ионов и нуклеотидного состава молекулы. Общие свой­ства этих форм суммированы в табл. 1.

¹ Угол вращения показан знаком ( + ) в случае правосторонней спирали и знаком (—) в случае левосторонней спирали.

Репликация ДНК

Способность к репликации (удвоению) ДНК определяет ее уникальные свойства по хранению и передаче наследственной информации.

Принцип репликации ДНК состоит в том, что каждая из двух полинуклеотидных нитей молекулы ДНК служит в качестве программы (матрицы) для синтеза новой (комплементарной) нити. В результате на основе одной двухцепочечной молекулы образуются две одинаковые двухцепочечные молекулы, в каждой из которых одна цепочка является старой, а другая - новой (вновь синтезированной). Такой принцип репликации ДНК был назван полуконсервативным (рис.).

Рис. Принцип полуконсервативной репликации ДНК

В соответствии с этим принципом нуклеотидная последовательность матричной (родительской) нити считывается в направлении 3'→ 5', тогда как синтез новой (дочерней) нити идет в направлении 5' → 3'. Поскольку две комплементарные цепочки родительской молекулы ДНК являются антипараллельными, то синтез новой полинуклеотидной цепочки на каждой из них идет в противоположном направлении.

Механизм репликации ДНК является достаточно сложным и, различается в случае организмов, содержащих относительно небольшие по размерам молекулы ДНК в замкнутой (кольцевой) форме (многие вирусы и бактерии), и эукариот, клетки которых имеют молекулы огромных размеров, находящиеся в линейной (незамкнутой) форме.

У прокариотов кольцевая молекула ДНК представляет собой одну структурную единицу репликации (репликон), имеющую единственную точку начала (инициации) репликации (О-пункт, coстоящий примерно из 300 нуклеотидов), в которой начинается процесс расхождения (расплетания) двух нитей родительской молекулы и матричного синтеза комплементарных копий (реплик) дочерней ДНК.