Введение
Z-ДНК – одна из множества возможных двойных спиральных структур ДНК. Это левозакрученная двойная спираль, в которой цепи закручены в зигзагообразный узор влево, в отличие от более распространенной правозакрученной формы B-ДНК. Считается, что Z-ДНК является одной из трех биологически активных двойных спиральных структур, наряду с A-ДНК и B-ДНК.
Z DNA is one of the many possible double helical structures of DNA. It is a left handed double helical structure in which the helix winds to the left in a zigzag pattern, instead of to the right, like the more common B DNA form. Z DNA is thought to be one of three biologically active double helical structures along with A DNA and B DNA.
История
Левосторонняя ДНК была впервые предложена Робертом Уэллсом и его коллегами в качестве структуры повторяющегося полимера инозин-цитозина. Они наблюдали "обратный" спектр кругового дихроизма для таких ДНК и ошибочно интерпретировали это как указание на то, что цепи закручены друг вокруг друга в левостороннем направлении. Связь между Z-ДНК и более известной B-ДНК была установлена работами Поля и Джовина, которые показали, что ультрафиолетовый круговой дихроизм поли(dG-dC) практически инвертирован в 4 М растворе хлорида натрия, а структура поли(I-C)·поли(I-C) на самом деле представляет собой правостороннюю конформацию D-ДНК. Предположение о том, что это результат перехода B-ДНК в Z-ДНК, было подтверждено изучением рамановских спектров этих растворов и кристаллов Z-ДНК. Впоследствии была опубликована кристаллическая структура "Z-ДНК", которая оказалась первой рентгеноструктурной анализом однокристалла фрагмента ДНК (самокомплементарный гексамер ДНК d(CG)3). Она была определена как левая двойная спираль с двумя антипараллельными цепями, соединенными парами оснований Уотсона-Крика (см. рентгеновскую кристаллографию). Её структура была установлена Эндрю Х. Дж. Вангом, Александром Ричем и их коллегами в 1979 году в MIT. Кристаллизация B-Z перехода ДНК в 2005 году позволила лучше понять потенциальную роль Z-ДНК в клетках. При формировании сегмента Z-ДНК на его обоих концах должны присутствовать B-Z переходы, соединяющие его с B-формой ДНК, обнаруженной в остальной части генома. В 2007 году РНК-аналог Z-ДНК, Z-РНК, был описан как трансформированная версия двойной спирали А-РНК в левостороннюю спираль. Однако переход от А-РНК к Z-РНК был описан еще в 1984 году.
Структура
Z-ДНК значительно отличается от правозакрученных форм. Фактически, Z-ДНК часто сравнивают с B-ДНК, чтобы наглядно продемонстрировать основные различия. Z-ДНК имеет левозакрученную спираль и структуру, которая повторяется через каждые две пары оснований. В отличие от A- и B-ДНК, большая и малая бороздки имеют незначительную разницу в ширине. Образование этой структуры обычно невыгодно, однако определенные условия могут способствовать его возникновению, такие как чередование пуриновых и пиримидиновых оснований в последовательности (особенно поли(dGC)), отрицательная суперспираль ДНК, высокая концентрация солей и некоторые катионы (при физиологической температуре 37 °C и pH 7,3–7,4). Z-ДНК может образовывать переход с B-ДНК (называемый "переходным участком B-Z") в структуре, включающей выталкивание пары оснований. Изучение конформации Z-ДНК затруднено, поскольку она не является стабильной характеристикой двойной спирали. Вместо этого это временная структура, которая периодически индуцируется биологической активностью и затем быстро исчезает.
Прогнозирование структуры Z-ДНК
Можно предсказать вероятность формирования Z-ДНК структуры из последовательности ДНК. Алгоритм для прогнозирования склонности ДНК к переходу из B-формы в Z-форму, ZHunt, был разработан П. Шинг Хо в 1984 году в MIT. Позже этот алгоритм был усовершенствован Трейси Кэмпом, П. Кристофом Чемпом, Сандором Морисом и Джеффри М. Варгасоном для полногеномного картирования Z-ДНК (при участии Хо в качестве главного исследователя).
Путь образования Z-ДНК из B-ДНК
С момента открытия и кристаллизации Z-ДНК в 1979 году, эта конфигурация ставила ученых в тупик относительно пути и механизма перехода от конфигурации B-ДНК к конфигурации Z-ДНК. Конформационное изменение от B-ДНК к структуре Z-ДНК оставалось неизвестным на атомном уровне, но в 2010 году компьютерное моделирование, проведенное Ли и др., позволило вычислительно установить, что ступенчатое распространение перехода от B к Z обеспечит более низкий энергетический барьер, чем ранее предполагаемый согласованный механизм. Поскольку это было доказано в ходе моделирования, этот путь все еще требовал экспериментальной проверки в лаборатории для дальнейшего подтверждения и обоснования, о чем Ли и др. специально указывают в своей статье: «Полученный [вычислительный] результат можно будет проверить в будущем с помощью экспериментов с использованием FRET на отдельных молекулах (smFRET)». Это было выполнено путем измерения значений интенсивности между донорными и акцепторными флуоресцентными красителями, также известными как флуорофоры, относительно друг друга при обмене электронами, при этом красители были присоединены к молекуле ДНК. Расстояния между флуорофорами можно было использовать для количественной оценки изменений в близости красителей и конформационных изменений в ДНК. Для индуцирования перехода от B-ДНК к Z-ДНК использовали белок hZαADAR1, обладающий высоким сродством к Z-ДНК, в различных концентрациях. Поддержку роли в регуляции ответа на интерферон I типа при раке также предоставляют данные о том, что 40% исследуемой группы опухолей зависели от фермента ADAR для выживания. В предыдущих исследованиях Z-ДНК была связана как с болезнью Альцгеймера, так и с системной красной волчанкой. Для демонстрации этого было проведено исследование ДНК, полученной из гиппокампа мозга нормальных людей, а также людей с умеренной и тяжелой стадиями болезни Альцгеймера. С помощью метода циркулярного дихроизма было показано наличие Z-ДНК в ДНК пациентов с тяжелой формой заболевания. Также было обнаружено, что значительная часть ДНК пациентов с умеренной стадией находилась в промежуточной B-Z конформации. Это важно, поскольку из этих данных было сделано заключение, что переход от B-ДНК к Z-ДНК зависит от прогрессирования болезни Альцгеймера. Существуют два типа этих антител. С помощью радиоиммуноанализа было установлено, что один из них взаимодействует с основаниями, экспонированными на поверхности Z-ДНК и денатурированной ДНК, а другой – исключительно с зигзагообразной цепью только Z-ДНК. Подобно тому, что наблюдается при болезни Альцгеймера, уровень антител варьируется в зависимости от стадии заболевания, достигая максимума на наиболее активных стадиях системной красной волчанки.
Z-ДНК в транскрипции
Считается, что Z-ДНК облегчает торсионное напряжение во время транскрипции и связана с отрицательным суперспирализацией. Однако, если суперспирализация связана как с транскрипцией, так и с репликацией ДНК, то образование Z-ДНК в первую очередь связано со скоростью транскрипции. Исследование человеческой хромосомы 22 показало корреляцию между областями, формирующими Z-ДНК, и промоторными областями для ядерного фактора I. Это позволяет предположить, что транскрипция некоторых человеческих генов может регулироваться образованием Z-ДНК и активацией ядерного фактора I. Показано, что Z-ДНК, формирующаяся в результате активной транскрипции вслед за РНК-полимеразой через отрицательную суперспирализацию, повышает генетическую нестабильность, создавая предрасположенность к мутагенезу вблизи промоторов. Исследование на Escherichia coli выявило, что делеции генов спонтанно возникают в плазмидных областях, содержащих последовательности, способствующие образованию Z-ДНК. В клетках млекопитающих было обнаружено, что наличие таких последовательностей приводит к крупным делециям геномных фрагментов из-за разрывов обеих нитей хромосом. Обе эти генетические модификации связаны с транслокациями генов, наблюдаемыми при раковых заболеваниях, таких как лейкемия и лимфома, поскольку области разрывов в опухолевых клетках локализуются вокруг последовательностей, формирующих Z-ДНК.