Инвертированные повторы и псевдоузлы в нуклеиновых кислотах

Введение

Последовательность нуклеиновых кислот. Инвертированное повторение (или ИР) — это одноцепочечная последовательность нуклеотидов, за которой в нисходящем направлении следует её обратный комплемент. Последовательность нуклеотидов, расположенная между исходной последовательностью и её обратным комплементом, может быть любой длины, включая нулевую. Например, является последовательностью инвертированного повторения. Если длина этой промежуточной последовательности равна нулю, то составная последовательность является палиндромом. И инвертированные, и прямые повторы относятся к типам нуклеотидных последовательностей, которые встречаются повторно.

Обратные повторения в псевдоузлах

Псевдоузлы — это распространенные структурные мотивы, встречающиеся в РНК. Они формируются двумя вложенными друг в друга структурами «стебель-петля», при этом стебель одной структуры образуется из петли другой. Среди псевдоузлов существует множество топологий сворачивания и значительное разнообразие в длинах петель, что делает их структурно разнообразной группой. Обратные повторы являются ключевым компонентом псевдоузлов, что можно увидеть на иллюстрации природного псевдоузла, обнаруженного в компоненте РНК человеческой теломеразы. В этой структуре задействованы четыре различных набора обратных повторов. Наборы 1 и 2 образуют стебель структуры «стебель-петля» А и являются частью петли для структуры «стебель-петля» В. Аналогично, наборы 3 и 4 образуют стебель для структуры «стебель-петля» В и являются частью петли для структуры «стебель-петля» А.

Псевдоузлы выполняют ряд различных функций в биологии. Псевдоузловая теломераза на иллюстрации критически важна для активности этого фермента. Структура «стебель-петля» на 3'-конце является терминатором транскрипции, поскольку последовательность, непосредственно следующая за ней, представляет собой ряд урацилов (U). Если эта структура «стебель-петля» формируется (из-за присутствия FMN) по мере выхода растущей цепи РНК из комплекса РНК-полимеразы, это создаст достаточное структурное напряжение, чтобы вызвать диссоциацию цепи РНК и, следовательно, прекратить транскрипцию. Диссоциация происходит легко, поскольку спаривание оснований между U в РНК и A в комплементарной цепи является самым слабым из всех видов спаривания оснований. Считается, что длинные обратные повторы оказывают значительное влияние на стабильность генома различных организмов. Это демонстрируется на примере *E. coli*, где геномные последовательности с длинными обратными повторами редко реплицируются, а скорее быстро удаляются. На иллюстрации показан обратный повтор, подвергающийся крестообразной экструзии. ДНК в области обратного повтора раскручивается, а затем рекомбинирует, образуя четырехсторонний стык с двумя структурами «стебель-петля». Крестообразная структура возникает потому, что обратные повторяющиеся последовательности самоспариваются друг с другом на одной и той же цепи. Экструдированные крестообразные структуры могут приводить к мутациям со сдвигом рамки считывания, когда последовательность ДНК содержит обратные повторы в форме палиндрома в сочетании с областями прямых повторов с обеих сторон. Во время транскрипции проскальзывание и частичная диссоциация полимеразы от цепи-матрицы могут приводить как к делеционным, так и к инсерционным мутациям. Эта база данных предоставлена Центром передовых биомедицинских вычислений (ABCC) при Национальной лаборатории исследований рака Фредерика (FNLCR). Она охватывает конформации ДНК A и Z, также известные как «не-B ДНК», поскольку они отличаются от более распространенной формы ДНК B — правозакрученной двойной спирали Уотсона-Крика. Эти «не-B ДНК» включают левозакрученную Z ДНК, крестообразные, триплексные, тетраплексные и шпилечные структуры. P MITE: база данных MITE растений — эта база данных для миниатюрных инвертированных повторяющихся транспозонов (MITE) содержит последовательности из геномов растений. Последовательности можно искать или загружать из базы данных. EMBOSS — это «Европейский пакет открытого программного обеспечения для молекулярной биологии», который работает в операционных системах UNIX и UNIX-подобных. Документация и исходные файлы программ доступны на веб-сайте EMBOSS. Приложения, специально связанные с обратными повторами, перечислены ниже:
EMBOSS einverted: находит обратные повторы в нуклеотидных последовательностях. Для ограничения области поиска можно установить пороговые значения. EMBOSS palindrome: находит палиндромы, такие как области «стебель-петля» в нуклеотидных последовательностях. Программа найдет последовательности, которые включают участки несовпадений и пробелов, которые могут соответствовать выпуклостям в структуре «стебель-петля».

Pseudoknots play a number of different roles in biology. The telomerase pseudoknot in the illustration is critical to that enzyme's activity. The stem loop on the 3' end is a transcriptional terminator because the sequence immediately following it is a string of uracils (U). If this stem loop forms (due to the presence of FMN) as the growing RNA strand emerges from the RNA polymerase complex, it will create enough structural tension to cause the RNA strand to dissociate and thus terminate transcription. The dissociation occurs easily because the base pairing between the U's in the RNA and the A's in the template strand are the weakest of all base pairings. Long inverted repeats are deemed to greatly influence the stability of the genome of various organisms. This is exemplified in E. coli, where genomic sequences with long inverted repeats are seldom replicated, but rather deleted with rapidity. The illustration shows an inverted repeat undergoing cruciform extrusion. DNA in the region of the inverted repeat unwinds and then recombines, forming a four way junction with two stem loop structures. The cruciform structure occurs because the inverted repeat sequences self pair to each other on their own strand. Extruded cruciforms can lead to frameshift mutations when a DNA sequence has inverted repeats in the form of a palindrome combined with regions of direct repeats on either side. During transcription, slippage and partial dissociation of the polymerase from the template strand can lead to both deletion and insertion mutations. This database is provided by The Advanced Biomedical Computing Center (ABCC) at then Frederick National Laboratory for Cancer Research (FNLCR). It covers the A DNA and Z DNA conformations otherwise known as "non B DNAs" because they are not the more common B DNA form of a right handed Watson Crick double helix. These "non B DNAs" include left handed Z DNA, cruciform, triplex, tetraplex and hairpin structures. P MITE: a Plant MITE database — this database for Miniature Inverted repeat Transposable Elements (MITEs) contains sequences from plant genomes. Sequences may be searched or downloaded from the database. EMBOSS is the "European Molecular Biology Open Software Suite" which runs on UNIX and UNIX like operating systems. Documentation and program source files are available on the EMBOSS website. Applications specifically related to inverted repeats are listed below:
EMBOSS einverted: Finds inverted repeats in nucleotide sequences. Threshold values can be set to limit the scope of the search. EMBOSS palindrome: Finds palindromes such as stem loop regions in nucleotide sequences. The program will find sequences that include sections of mismatches and gaps that may correspond to bulges in a stem loop.