Кіріспе

ДНҚ-ның мүмкін екі спиральді құрылымдарының бірі Z ДНК болып табылады. Бұл солға бұрылған екі спиральді құрылым, онда спираль зигзаг тәрізді солға қарай бұрылады, ал кең таралған B ДНК түрінен айырмашылығы, оңға қарай бұрылмайды. Z ДНК, A ДНК және B ДНК-мен қатар, үш биологиялық белсенді екі спиральді құрылымның бірі саналады.

Тарих

Сол жақты ДНК алғаш Роберт Уэллс және әріптестері инозин-цитозиннің қайталама полимерінің құрылымы ретінде ұсынды. Олар мұндай ДНК үшін «кері» дөңгелек дихроизм спектрін байқады және оны қате түсіндіріп, жіптердің бір-біріне сол жаққа бұрылып оралғанын жорамалдады. Z ДНК мен көбірек таныс B ДНК арасындағы байланысты Pohl және Jovin жұмыстары көрсетті, олар поли(dG dC) полимерінің ультракүлгін дөңгелек дихроизмінің 4 М натрий хлориді ерітіндісінде дерлік кері спектрге ие екенін және поли d(I–C)·поли d(I–C) құрылымының шын мәнінде оң жақты D ДНК конформациясы екенін анықтады. Бұл B ДНК-ның Z ДНК-ға өзгеруі мүмкін деген күдік осы ерітінділердің Раман спектрлерін және Z ДНК кристалдарын зерттеу арқылы расталды. Кейіннен «Z ДНК» кристалдық құрылымы жарияланды, ол ДНК фрагментінің алғашқы бір кристаллдық рентгендік құрылымы болып шықты (өзін-өзі толықтыратын ДНК гексамері d(CG)3). Ол Уотсон-Крик негіз жұптарымен байланысқан екі антипараллель тізбектен тұратын сол жақты қос спираль ретінде шешілді (рентгендік кристаллографияға қараңыз). Бұл құрылымды 1979 жылы MIT-де Эндрю Х.Ж. Ванг, Александр Рич және әріптестері анықтады. 2005 жылы B-Z ДНК қосылысының кристалдануы Z ДНК-ның жасушалардағы ықтимал рөлін жақсырақ түсінуге көмектесті. Z ДНК сегменті пайда болғанда, оның екі шетінде B–Z қосылыстары болуы керек, олар оны геномның қалған бөлігінде кездесетін B формасындағы ДНК-мен байланыстырады. 2007 жылы Z ДНК-ның РНК нұсқасы, Z РНК, А РНК қос спиралінің сол жақты спиральға айналуының өзгеру түрі ретінде сипатталды. Алайда, А РНК-дан Z РНК-ға өту 1984 жылы-ақ сипатталған еді.

Құрылымы

Z ДНК оң спиральды формалардан мүлдем өзгеше. Шындығында, Z ДНК-ны көбінесе негізгі айырмашылықтарды көрсету үшін B ДНК-мен салыстырады. Z ДНК спиралі сол спиральды және әр екінші негіз жұбын қайталайтын құрылымға ие. A және B ДНК-дан айырмашылығы, үлкен және кіші жорықтар ені бойынша айқын айырмашылықты көрсетпейді. Бұл құрылымның пайда болуы көбінесе қолайсыз, бірақ кейбір жағдайлар оны ынталандыра алады: мысалы, пурин-пиримидин тізбектерінің кезектесуі (әсіресе поли(dGC)2), теріс ДНК суперспиральдеуі немесе жоғары тұз концентрациясы және кейбір катиондар (барлығы физиологиялық температурада, 37°C және pH 7.3–7.4). Z ДНК B ДНК-мен ("B-Z түйісу қорабы" деп аталады) базалық жұптың сығылып шығуын қамтитын құрылымда түйісе алады. Z ДНК конформациясын зерттеу қиын болды, өйткені ол қос спиральдің тұрақты ерекшелігі ретінде кездеспейді. Оның орнына, ол уақытша құрылым болып табылады, ол кейде биологиялық белсенділік арқылы шақырылады, содан кейін жылдам жоғалады.

Z-ДНК құрылымын болжау

ДНҚ тізбегінің Z ДНҚ құрылымын қалыптастыру мүмкіндігін болжауға болады. ДНҚ-ның B түрінен Z түріне өтуге бейімділігін болжау алгоритмін 1984 жылы MIT-де П. Шинг Хо жасаған. Бұл алгоритмді кейіннен Трейси Камп, П. Кристоф Шамп, Сандор Морис және Джеффри М. Варгасон геномдық деңгейде Z ДНҚ-ның картасын жасау үшін жетілдірді (Хо – жоба жетекшісі болды).

Z-ДНК-ның B-ДНК-дан түзілу жолы

1979 жылы Z ДНК-ның табылуы және кристалдануынан бері, бұл конфигурация ғалымдарды B ДНК-дан Z ДНК-ға өту жолы мен механизмі туралы ойландырып келді. B ДНК-дан Z ДНК құрылымына конформациялық өзгеріс атомдық деңгейде белгісіз болды, бірақ 2010 жылы Ли және әріптестері жүргізген компьютерлік симуляциялар, B-ден Z-ге кезеңдік өтудің, бұрынғыда болжанған бірлескен механизмге қарағанда төмен энергиялық тосқауыл беретінін есептеу арқылы анықтады. Бұл есептеулермен дәлелденгенімен, жолды одан әрі растау және жарамдылығын тексеру үшін зертханада тәжірибелік түрде сынап көру қажет болды. Ли және әріптестері өз мақаласында нақты: «Ағымдағы [есептеу] нәтижелерін болашақта бір молекулалық FRET (smFRET) эксперименттері арқылы тексеруге болады» деп жазды. Бұл ДНК молекуласына бекітілген донор және акцептор флуоресцентті бояулардың (флюорофорлар) бір-біріне қатысты интенсивтілік мәндерін, электрон алмасу кезінде өлшеу арқылы жүзеге асырылды. Флюорофорлар арасындағы қашықтықты бояулардың жақындығындағы өзгерістерді және ДНК-дағы конформациялық өзгерістерді сандық түрде есептеу үшін пайдалануға болады. Z ДНК-мен жоғары сәйкестікке ие hZαADAR1 протеині, B ДНК-ны Z ДНК-ға түрлендіру үшін әртүрлі концентрацияларда қолданылды. І типтегі интерферонға жауапты қатерлі ісіктердегі реттеудегі рөлі, сондай-ақ, ісіктердің 40%-ының тірі қалуы ADAR ферментіне тәуелді екендігі де анықталды. Алдыңғы зерттеулерде Z ДНК Альцгеймер ауруымен және жүйелік қызыл жегімен байланысты болған. Мұны көрсету үшін, Альцгеймер ауруымен шағылысқан, орташа және ауыр дәрежедегі мидың гиппокампынан алынған ДНК зерттелді. Циркулярлық дихроизмді қолдану арқылы, зерттеу ауыр түрде зардап шеккендердің ДНК-сында Z ДНК бар екенін көрсетті. Сондай-ақ, зерттеу орташа зардап шеккен ДНК-ның көп бөлігі B-Z аралық конформациясында екенін анықтады. Бұл маңызды, өйткені осы нәтижелер B ДНК-дан Z ДНК-ға өту Альцгеймер ауруының прогрессиясына байланысты деген қорытындыға келдірді. Бұл антиденелердің екі түрі бар. Радиоиммуноанализ арқылы біреуі Z ДНК және денатурацияланған ДНК бетіндегі базалармен, ал екіншісі тек Z ДНК-ның зигзаг тірек құрылымымен әрекеттесетіні анықталды. Альцгеймер ауруындағы сияқты, антиденелер ауру сатысына байланысты өзгереді, SLE-нің ең белсенді кезеңдерінде антиденелердің саны ең жоғары болады.

Транскрипциядағы Z-ДНК

Z ДНК транскрипция кезінде бұрылу шиеленісін азайтуға қатысты деп саналады және ол теріс суперспиральмен байланысты. Дегенмен, суперспираль ДНК транскрипциясымен де, репликациясымен де байланысты болса, Z ДНК-ның пайда болуы негізінен транскрипция жылдамдығымен байланысты. Адамның 22-хромосомасын зерттеу Z ДНК құралатын аймақтар мен ядролық фактор I промоторлық аймақтары арасындағы байланысты көрсетті. Бұл кейбір адам гендерінде транскрипция Z ДНК-ның түзілуі және ядролық фактор I-нің белсенділігі арқылы реттелуі мүмкін екенін ұсынады. РНК полимераза жолынан теріс суперспираль арқылы пайда болған және белсенді транскрипция арқылы қалыптасқан Z ДНК генетикалық тұрақсыздықты арттырады, промоторлар маңында мутацияға бейімдік тудырады. Escherichia coli бактериясында жүргізілген зерттеуде Z ДНК құралатын тізбектерді қамтитын плазмида аймақтарында гендердің спонтанды түрде жойылуы байқалды. Сүтқоректілер жасушаларында мұндай тізбектердің болуы хромосомалық екі тізбектің үзілуіне байланысты үлкен геномдық фрагменттердің жойылуына әкелді. Бұл екі генетикалық өзгеріс те лейкемия және лимфома сияқты қатерлі ісіктерде кездесетін гендік транслокациялармен байланысты, себебі ісік жасушаларындағы үзілу аймақтары Z ДНК құралатын тізбектердің маңында орналасқан.