21 cara DNA anda mungkin kelihatan

Isi kandungan:

21 cara DNA anda mungkin kelihatan
21 cara DNA anda mungkin kelihatan
Anonim

Kita terbiasa memikirkan DNA sebagai heliks berganda - tetapi ini hanyalah salah satu dari banyak bentuknya. Sejak Watson dan Crick menerbitkan model mereka, sel-sel manusia telah menemui heliks DNA tiga kali lipat dan empat kali lipat, serta salib, jepit rambut dan corak tenun lain - ada yang lebih senang digambar daripada digambarkan dengan kata-kata.

Lakar idea

Watson dan Crick bukanlah satu-satunya yang meneliti model DNA 3D. Mereka bukan yang pertama. Sekerap data biokimia dapat digunakan untuk membangun berbagai bentuk molekul, dan ada banyak pilihan.

Keadaan masalah adalah sama untuk semua. Pada awal 1953, sudah jelas bagaimana nukleotida berfungsi:

  • baki asid fosforik,
  • gula,
  • salah satu asas nitrogen: adenin (A), guanin (G), timin (T) atau sitosin (C).

Juga diketahui bahawa asas nitrogen tersebar di sepanjang rantai kerana: dalam mana-mana molekul DNA, jumlah adenin dan guanin sama dengan jumlah timmin dan sitosin. Selain itu, dalam semua sinar-X Rosalind Franklin dan Raymond Gosling, terlepas dari potongan DNA apa yang dicetak pada mereka, filamen itu sendiri mempunyai ketebalan yang sama. Ini bermaksud bahawa bentuknya tidak berubah untuk sebarang urutan nukleotida.

Dari catatan pendahuluan ini, Linus Pauling dan Robert Corey mengumpulkan model mereka - heliks tiga helai dengan asas nitrogen di semua sisi (ahli biokimia telah menetapkan fosfat dan gula untuk peranan inti dalaman). Reka bentuk ini kelihatan tidak stabil: tidak jelas mengapa kumpulan fosfat bermuatan negatif di tengah lingkaran tidak saling tolak.

Image
Image

Struktur DNA menurut Pauling dan Corey

Bruce Fraser menyelesaikan masalah ini dengan mengubah struktur ke dalam: dalam versi, tiga utas kelihatan dengan fosfat. Asas nitrogen dipusingkan ke dalam, tetapi Fraser tidak dapat menjelaskan bagaimana mereka dihubungkan.

Model Watson dan Crick dengan heliks berganda berpusing ke kanan adalah yang paling stabil. Seperti Fraser, para saintis meletakkan fosfat di luar dan asas nitrogen di bahagian dalam. Terdapat juga prinsip yang jelas mengenai penentangan mereka dalam model ini: A pada satu litar selalu dihubungkan dengan T pada yang lain, dan G - dengan C. Ini menjelaskan mengapa ketebalan strukturnya stabil - pasangan AT dan GC adalah mengenai saiz sama.

Image
Image

Lakaran pensil struktur DNA oleh Francis Crick

Kemudian ada usaha lain untuk menyusun semula DNA menjadi bentuk baru. Ahli biokimia Belanda, Karst Hoogsteen, misalnya, menyedari bahawa mungkin menghubungkan pasangan nukleotida yang sama dengan wajah yang lain - sehingga heliks juga tetap stabil, tetapi ternyata lebih nipis. Penulis lain telah menggambarkan DNA sebagai lingkaran dengan putaran kiri dan kanan bergantian, atau bahkan sebagai dua heliks berganda yang membentuk satu empat kali ganda. Dan walaupun keberadaan heliks ganda Watson-Crick telah disahkan berkali-kali, pada abad ke-21 orang terus membuat spekulasi tentang apa bentuk helai DNA di dalam sel, di mana jauh lebih sukar untuk melihatnya daripada dalam ujian tiub. Benar, tidak ada idea alternatif setakat ini yang ternyata cukup baik untuk meninggalkan heliks berganda klasik klasik.

Watson dan Crick melakukan lebih daripada sekadar menyelesaikan kontroversi mengenai bentuk DNA. Model mereka segera menjelaskan bagaimana bentuk ini berfungsi: korespondensi satu lawan satu menjadikan setiap utas menjadi templat yang lain. Memiliki hanya satu rantai, selalu dapat memulihkan yang kedua - semua model moden pemindahan maklumat genetik berdasarkan prinsip ini.

Walaupun begitu, kebanyakan idea yang "ditolak" ternyata benar dalam beberapa cara. Selama hampir 70 tahun meneliti DNA, hampir semua jenis sambungan asas, lingkaran lain dan juga giliran kiri dapat dikesan di dalamnya.

Gulung ke tempat yang salah

Heliks berganda itu sendiri dapat disusun dengan cara yang berbeza. Hal ini diperhatikan oleh Rosalind Franklin, walaupun dia tidak menganggap ada lingkaran di depannya, dan bahkan yang berganda. Dalam keadaan normal, menyerupai intraselular, DNA dalam gambar ahli biologi mempunyai bentuk "longgar", yang disebut Franklin sebagai B-DNA. Tetapi sekiranya kelembapan dalam tabung uji turun di bawah 75 peratus, A-DNA yang dihasilkan lebih luas dan padat.

Image
Image

Bentuk DNA A (kiri) dan B (kanan) seperti yang dilihat oleh Rosalind Franklin

Ternyata kemudian, A-DNA benar-benar dipintal lebih ketat: diperlukan 10 nukleotida untuk memutar heliks, dan bukan 11, seperti pada B-DNA. Dan mereka terletak tidak tegak lurus dengan paksi simetri lingkaran, tetapi pada sudut: jika dalam B-DNA nukleotida biasanya digambarkan sebagai garis mendatar, dalam A-DNA mereka harus dilukis secara serong.

Watson dan Crick memilih B-DNA sebagai asas untuk model mereka dan tepat. Kemudian ternyata bahawa varian-B sebenarnya sering terjadi di dalam sel, dan sekarang ia dianggap sebagai bentuk utama keberadaan DNA, dan semua penyimpangan sering dilambangkan dengan istilah umum "DNA bukan-B".

Lebih-lebih lagi, heliks berkembar sebenarnya hampir tidak sesuai dengan modelnya yang sangat indah. Dalam sistem hidup, B-DNA, secara kebiasaannya, dipintal sedikit lebih banyak daripada yang diperkirakan Watson dan Crick, dan jumlah nukleotida rata-rata per putaran heliks di dalamnya bukan 10 atau 11, tetapi sekitar 10.5. Di samping itu, pasangan individu nukleotida sentiasa menyimpang dari set "mendatar" (ini disebut "putaran baling-baling"), oleh itu, lingkaran tidak pernah benar-benar lancar dan rata - di sana-sini sisi kekasaran menonjol: hujung nukleotida pada sudut yang berbeza.

Image
Image

"Propeller" giliran nukleotida dalam B-DNA

Kemudian ternyata gegelung spiral bukan sahaja dapat berpusing lebih ketat atau lebih santai, tetapi berpusing sepenuhnya berlawanan arah jarum jam (misalnya, lingkaran menara Evolution di Moscow City, yang jelas melambangkan helai DNA, dipusing ke kiri). Secara kebetulan, ini adalah sejenis DNA yang dilihat pada tahun 1979, ketika akhirnya mungkin untuk memeriksa asid nukleik dengan resolusi tinggi. Itu masih heliks berganda, tetapi dalam bentuk yang sama sekali berbeza: 12 nukleotida per putaran, bahkan lebih tipis daripada B-DNA dan berpusing tidak ke kanan, tetapi ke kiri. Kumpulan fosfat yang melekat di permukaan tidak membentuk lingkaran halus, tetapi zigzag, jadi versi baru disebut bentuk-Z.

Image
Image

A-DNA (kiri), B-DNA (tengah), Z-DNA (kanan)

Ini tentu saja tidak bermaksud bahawa model Watson-Crick salah. Bentuk Z diperoleh dalam keadaan yang agak eksotik - dalam larutan dengan kepekatan garam yang tinggi. Dan di dalam sel, ia juga diperoleh dari B-DNA hanya dalam keadaan tertentu: sebagai contoh, apabila "voltan" pada rantai terlalu tinggi dan mesti dilepaskan. Ketegangan muncul disebabkan oleh putaran yang berlebihan: helai DNA sudah saling melilit, tetapi heliks berganda yang terbentuk oleh mereka berputar mengelilingi beberapa protein (contohnya histon), yang disebut supercoiling berlaku. Peralihan ke bentuk-Z membantu melegakan ketegangan dan melepaskan giliran yang tidak perlu - dan ini, seterusnya, penting agar protein baru dapat mengikat DNA, misalnya, polimerase semasa transkripsi.

Oleh itu, DNA sering mengambil bentuk Z semasa transkripsi gen. Lebih-lebih lagi, semakin banyak Z-DNA yang ada, semakin aktif transkripnya. Histon tidak dapat mengikat Z-DNA, jadi tidak ada yang mengganggu polimerase untuk melakukan tugasnya. Dan ini, secara aktif, digunakan secara aktif oleh sel-sel tumor, di mana heliks sebelah kiri muncul tepat pada waktunya di hadapan gen yang mereka perlukan.

Image
Image

Menara Evolusi (latar depan) kelihatan seperti DNA sebelah kiri

Kemudian dijumpai bentuk heliks berganda yang lain. Bergantung pada kandungan kelembapan, kandungan garam dan urutan nukleotida di kawasan tertentu, DNA boleh menjadi lebih memanjang (E-DNA) atau menyusut (C- dan D-DNA), termasuk ion logam (M-DNA), atau diregangkan supaya bukannya asas nitrogen, kumpulan fosfat (S-DNA) muncul di tengah heliks. Dan setelah jenis DNA intraselular lain ditambahkan ke dalam senarai, seperti N-DNA nuklear dan R-DNA rekombinan (yang, bagaimanapun, dimasukkan dalam senarai ini bukan kerana bentuknya, tetapi kedudukan dalam sel atau asal), dalam abjad Inggeris untuk varian DNA, hurufnya hampir habis. Sesiapa yang memutuskan untuk membuka beberapa bentuk bukan kanonis perlu memilih dari lima borang percuma: F, Q, U, V, dan Y.

Senarai Bentuk DNA mengikut abjad

  • A-DNA adalah dua helai, sedikit lebih tebal daripada B.
  • B-DNA adalah yang dibina oleh Watson dan Creek.
  • C-DNA adalah dua helai, 9, 3 nukleotida setiap pusingan.
  • D-DNA adalah dua helai, sempit: 8 nukleotida setiap giliran, mengandungi banyak tiram.
  • E-DNA adalah dua helai, bahkan lebih sempit: 15 nukleotida setiap dua putaran.
  • G-DNA adalah heliks empat kali ganda dengan guanine tetrads.
  • H-DNA adalah heliks tiga.
  • I-DNA adalah dua heliks berganda yang disatukan oleh tarikan sitosinnya.
  • J-DNA adalah heliks triple lain yang dibentuk oleh ulangan AC.
  • K-DNA - DNA dari trypanosomes, terutama kaya dengan adenin.
  • L-DNA - DNA berdasarkan L-deoxyribose (bukan D- seperti biasa).
  • M-DNA - B-DNA dalam kompleks dengan logam divalen.
  • N-DNA adalah DNA nuklear.
  • O-DNA adalah titik permulaan DNA berlipat ganda dalam bakteriofag λ.
  • P-DNA adalah heliks triple Pauling-Corey.
  • R-DNA - DNA rekombinan (diperoleh dengan memasukkan serpihan asing).
  • S-DNA adalah dua helai, memanjang 1.6 kali lebih kuat daripada bentuk-B.
  • T-DNA - serupa dengan bentuk-D, yang terdapat pada bakteriofag T2.
  • W-DNA sinonim dengan Z-DNA.
  • X-DNA adalah heliks untai dua yang dibentuk oleh AT berulang.
  • Z-DNA adalah dua helai, tangan kiri.

Dapatkan dalam genggaman

Sebagai tambahan kepada semua jenis heliks berganda dan cara menenunnya, DNA kadang kala terpecah menjadi helai individu, yang terbentuk menjadi jepit rambut, salib, dan bentuk helai ganda lain. Ia juga berlaku bahawa heliks berganda yang sudah ada ditumbuhi jiran baru.

Pada tahun 1985, ternyata Pauling dan Corey tepat tiga puluh tahun yang lalu: DNA triple helix (H-DNA) wujud. Namun, itu tidak diatur sama seperti yang mereka harapkan. Dalam heliks triple yang benar, dua rantai disambungkan dengan cara Watson-Crick standard, dan yang ketiga menghubungkannya secara lateral, berbaring di alur besar di antara rantai. Dalam kes ini, asas nitrogen ketiga, benang tambahan disambungkan ke pasangan utama bukan dengan cara klasik, tetapi seolah-olah dari sisi - oleh ikatan yang diramalkan oleh Karst Hoogsteen. Dengan cara itu, dia juga benar.

Heliks tiga, seperti banyak bentuk DNA alternatif, juga timbul sebagai tindak balas terhadap lapisan super helai. Walau bagaimanapun, tidak seperti bentuk Z, ia tidak menyokong transkripsi, tetapi, sebaliknya, mengganggu. RNA polimerase, yang biasanya melepaskan dua helai di hadapannya, tidak selalu dapat mengatasi pemisahan tripleks. Oleh itu, jika heliks tiga terbentuk dalam gen atau kawasan pengawalannya, ia berfungsi lebih buruk daripada yang lain.

Image
Image

Varian pembentukan heliks tiga. Pasangan Watson-Crick ditunjukkan dengan warna hitam, nukleotida ketiga tambahan diserlahkan

Ia juga berlaku bahawa tidak dua atau tidak tiga, tetapi empat helai DNA disambungkan sekaligus. Untuk ini berlaku, empat nukleotida guanin mesti bertemu di satu tempat - tidak menjadi masalah sama ada mereka berada pada dua helai helai yang sama atau pada empat helai berbeza yang tidak bersambung antara satu sama lain. Setiap guanin membentuk pasangan Hoogsteen yang tidak klasik dengan dua jiran, dan bersama-sama mereka membentuk tetrad guanin persegi. Sekiranya di sebelahnya ada guanin lain yang dapat membuat segi empat, maka timbunan terbentuk dari mereka - timbunan yang memegang empat helai DNA di sebelahnya.

Image
Image

Guanine tetrad (atas) dan pilihan untuk susunan rantai di quadruplex (bawah)

Semua 30 tahun yang berlalu sejak penemuan quadruplexes, jumlah proses di mana mereka terlibat entah bagaimana bertambah. Lebih daripada dua ratus protein sudah diketahui yang secara selektif dapat mengenali tetrad guanin - yang terakhir mungkin memainkan peranan sebagai sejenis penanda genetik, cara lain untuk mengatur pembungkusan dan transkripsi gen. Sebagai contoh, mereka sering dijumpai di promoter (wilayah pengawalseliaan dari mana transkripsi bermula) dari gen yang berbeza. Baru-baru ini, para saintis bahkan berjaya membezakan pelbagai jenis barah payudara melalui set quadruplexes - yang, pada gilirannya, bergantung pada gen dalam sel tumor yang terlalu aktif.

Semakin jauh kita melihat molekul DNA, semakin banyak kita melihat penyimpangan dari model yang sudah lama dikenali. Heliks berganda bukan satu-satunya dan bukan struktur akhir DNA, tetapi hanya satu (walaupun yang paling kerap) dari pose yang diperlukan dalam tarian berterusan. Mematuhi perintah urutan nukleotida, helai DNA menguncup dan mengembang, membengkok, memutar dan mengambil sejumlah bentuk (cantik) yang tidak terhingga. Tidak ada satupun yang muktamad: struktur DNA alternatif berubah menjadi satu sama lain, bersaing dengan bentuk-B dan satu sama lain, mematuhi isyarat protein selular dan mengarahkan kerja mereka sendiri.

Cari dan pimpin

Bentuk DNA bukan kanonik, untuk semua kepelbagaiannya, tidak muncul di tempat yang rawak. Kestabilan diberikan kepada mereka oleh sekumpulan nukleotida tertentu dalam komposisi mereka, oleh itu ia hanya muncul di bahagian rantai di mana terdapat urutan "selesa" untuk mereka.

Jadi, sebagai contoh, ada kawasan tertentu dalam DNA yang sangat bersedia untuk dilipat menjadi zigzag. Ini adalah tempat di mana pasangan G-C bergantian: setelah belokan kiri di dalamnya, setiap nukleotida kedua mengambil bentuk "tidak teratur", oleh itu profil patah keseluruhan bentuk-Z. Ini bermaksud bahawa urutan yang cenderung mengambil bentuk Z dapat dijumpai tepat dalam teks - jika anda melihat HZGZGZGZHZHZ, anda tidak mungkin salah. Oleh itu, dalam satu karya, misalnya, mereka mengira 391 kawasan di genom manusia.

Tempat-tempat di mana heliks tiga dapat terbentuk juga dapat dikenali oleh urutan nukleotida ciri. Rantai ketiga dilampirkan sama ada sesuai dengan prinsip pelengkap - iaitu, G yang lain ditambahkan pada pasangan G-C, membentuk G-C * G - atau "sendiri" - dan ternyata G * G-C. Oleh itu, pembinaan seperti itu sering berlaku di tempat-tempat DNA di mana beberapa nukleotida serupa (misalnya, YYYYG) atau yang serupa dengan kimia (AGGAAG) berturut-turut dan di mana mereka membentuk ulangan palindromik (cermin).

Dengan cara yang sama, penampilan quadruplex dapat diramalkan dari teks DNA. Menurut hasil hanya satu penjujukan (sebenarnya, terjemahan langsung DNA menjadi huruf), lebih daripada 700 ribu daripadanya dijumpai di dalam genom manusia. Tidak kesemuanya dijumpai secara in vivo - untuk ini, helai DNA yang sesuai harus dekat pada satu titik di nukleus sel kompleks - namun, ini mungkin bermaksud bahawa struktur empat heliks mempunyai peranan tertentu dalam kehidupan sel.

Pembentukan bentuk alternatif DNA tidak selalu menguntungkan sel: kebanyakannya kurang tahan lama daripada B-DNA biasa, dan lebih kerap pecah. Oleh itu, urutan yang cenderung membentuk bentuk bukan-B menjadi tempat ketidakstabilan genetik dan peningkatan mutagenesis. Sebilangan penyelidik melihat ini sebagai mesin evolusi - jika kawasan tersebut muncul dalam gen yang berkaitan dengan perkembangan organisma. Yang lain menyalahkan bentuk DNA alternatif untuk semua jenis penyakit yang berkaitan dengan mutasi rawak dan penyusunan semula dalam genom - dari tumor hingga skizofrenia dan autisme.

Ternyata DNA mengandungi bukan sahaja maklumat mengenai struktur protein selular dan RNA, tetapi juga bentuk apa yang dapat diambil oleh maklumat ini, selain standard Watson-Crick. Dan bentuk-bentuk ini, pada gilirannya, menentukan apa yang berlaku pada maklumat ini: sama ada sel dapat merealisasikannya atau gen, akan diam selama-lamanya, atau bahkan hancur sama sekali, sehingga menimbulkan beberapa mutasi tambahan.

Kita mungkin akan belajar suatu hari untuk mengganggu proses ini - misalnya, kita dapat membina rantai nukleotida yang meniru helai ketiga di heliks dan "meluncurkan" pada waktu yang tepat di tempat yang tepat untuk menyekat kerja sebilangan gen yang tidak diingini di dalam sel. Terdapat cadangan yang lebih berani - untuk menggunakan heliks tiga untuk penyuntingan genom yang disasarkan: memperkenalkan nukleotida ke dalam sel yang dapat membentuk heliks tiga dengan wilayah DNA sasaran dan mendorong sistem pembaikan untuk menggantikan wilayah ini dengan varian "sihat" dari yang lain kromosom.

Dan sementara kita baru mengetahui ini, masih perlu diketahui struktur DNA sebagai jenis maklumat lain - selain genetik (nukleotida "teks") dan epigenetik (ketersediaan gen untuk membaca) - yang membawa genom kita. Dan kita masih harus belajar bagaimana bekerja dengannya, mempengaruhi kandungan melalui borang, atau sebaliknya.

Disyorkan: