Нестандартные пары оснований в ДНК: структура и функции.
Hoogsteen base pair
Пара Хогстина: альтернативный тип водородных связей в ДНК. Отличается от Watson-Crick, образуется в главной бороздке, важна для структуры нуклеиновых кислот.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Пара оснований Хугстина — это вариант спаривания оснований в нуклеиновых кислотах, например, пара A•T. В этом случае две нуклеотидные основы, по одной на каждой цепи, могут удерживаться вместе водородными связями в большой бороздке. Пара оснований Хугстина использует положение N7 пуринового основания (как акцептор водородной связи) и аминогруппу C6 (как донор), которые связываются с ватсон-криковским (N3–C4) лицом пиримидинового основания.
A Hoogsteen base pair is a variation of base pairing in nucleic acids such as the A•T pair. In this manner, two nucleobases, one on each strand, can be held together by hydrogen bonds in the major groove. A Hoogsteen base pair applies the N7 position of the purine base (as a hydrogen bond acceptor) and C6 amino group (as a donor), which bind the Watson–Crick (N3–C4) face of the pyrimidine base.
История
Через десять лет после публикации Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком их модели двойной спирали ДНК, Карст Хогстин сообщил об определении кристаллической структуры комплекса, в котором аналоги А и Т формировали пару оснований с геометрией, отличной от описанной Уотсоном и Криком. Аналогично, альтернативная геометрия спаривания оснований может возникать и для пар G•C. Хогстин указал, что если бы альтернативные схемы водородных связей присутствовали в ДНК, то двойная спираль должна была бы принять существенно иную форму. Базовые пары Хогстина наблюдаются в альтернативных структурах, таких как четырехцепочечные G-квадруплексы, формирующиеся в ДНК и РНК.
Ten years after James Watson and Francis Crick published their model of the DNA double helix, Karst Hoogsteen reported a crystal structure of a complex in which analogues of A and T formed a base pair that had a different geometry from that described by Watson and Crick. Similarly, an alternative base pairing geometry can occur for G•C pairs. Hoogsteen pointed out that if the alternative hydrogen bonding patterns were present in DNA, then the double helix would have to assume a quite different shape. Hoogsteen base pairs are observed in alternative structures such as the four stranded G quadruplex structures that form in DNA and RNA.
Химические свойства
Пары Хугстина обладают совершенно иными свойствами, чем пары оснований Уотсона — Крика. Угол между двумя гликозидными связями (около 80° в паре A•T) больше, а расстояние C1–C1 (около 860 пм или 8,6 Å) меньше, чем в регулярной геометрии. В некоторых случаях, называемых обращенными парами оснований Хугстина, одна основание повернута на 180° относительно другой. В некоторых последовательностях ДНК, особенно в динуклеотидах CA и TA, пары оснований Хугстина существуют как преходящие образования, находящиеся в термическом равновесии со стандартными парами оснований Уотсона — Крика. Для обнаружения этих преходящих видов потребовалось использование спектроскопии релаксационной дисперсии ЯМР, примененной к макромолекулам. Некоторые белки эволюционировали, чтобы распознавать только один тип пары оснований, и используют межмолекулярные взаимодействия для смещения равновесия между двумя геометрическими структурами. ДНК обладает множеством особенностей, позволяющих белкам распознавать ее последовательность. Изначально считалось, что это распознавание в первую очередь связано со специфическими водородными связями между боковыми цепями аминокислот и основаниями. Но вскоре стало ясно, что не существует однозначного соответствия — то есть, не существует простого кода для прочтения. Частично проблема заключается в том, что ДНК может претерпевать конформационные изменения, искажающие классическую двойную спираль. Возникающие искажения изменяют экспозицию оснований ДНК для белков и, следовательно, влияют на механизм распознавания. Поскольку искажения в двойной спирали сами зависят от последовательности оснований, белки способны распознавать ДНК аналогично тому, как они распознают другие белки и малые молекулы-лиганды, то есть по геометрической форме (а не по специфической последовательности). Например, участки, богатые основаниями A и T, могут приводить к сужению малой бороздки ДНК (более узкой из двух борозд в двойной спирали), что приводит к усилению локального отрицательного электростатического потенциала, который, в свою очередь, создает сайты связывания для положительно заряженных остатков аминокислоты аргинина в белке.
Hoogsteen pairs have quite different properties from Watson–Crick base pairs. The angle between the two glycosidic bonds (ca. 80° in the A• T pair) is larger and the C1–C1 distance (ca. 860 pm or 8.6 Å) is smaller than in the regular geometry. In some cases, called reversed Hoogsteen base pairs, one base is rotated 180° with respect to the other. In some DNA sequences, especially CA and TA dinucleotides, Hoogsteen base pairs exist as transient entities that are present in thermal equilibrium with standard Watson–Crick base pairs. The detection of the transient species required the use of NMR relaxation dispersion spectroscopy applied to macromolecules. Some proteins have evolved to recognize only one base pair type, and use intermolecular interactions to shift the equilibrium between the two geometries. DNA has many features that allow its sequence specific recognition by proteins. This recognition was originally thought to primarily involve specific hydrogen bonding interactions between amino acid side chains and bases. But it soon became clear that there was no identifiable one to one correspondence — that is, there was no simple code to be read. Part of the problem is that DNA can undergo conformational changes that distort the classical double helix. The resulting variations alter the presentation of DNA bases to proteins molecules and thus affect the recognition mechanism. As distortions in the double helix are themselves are dependent on base sequence, proteins are able to recognize DNA in a manner similar to the way that they recognize other proteins and small ligand molecules, i. e. via geometric shape (instead of the specific sequence). For example, stretches of A and T bases can lead to narrowing the minor groove of DNA (the narrower of the two grooves in the double helix), resulting in enhanced local negative electrostatic potentials which in turn creates binding sites for positively charged arginine amino acid residues on the protein.
Тройные конструкции
Это не-Уотсон-Криковское спаривание оснований позволяет третьим цепям обвиваться вокруг дуплексов, собранных по принципу Уотсон-Крика, и формировать тройные спирали, такие как (poly(dA)•2poly(dT)) и (poly(rG)•2poly(rC)). Оно также наблюдается в трехмерных структурах транспортной РНК, например, в парах T54•A58 и U8•A14.
This non Watson–Crick base pairing allows the third strands to wind around the duplexes, which are assembled in the Watson–Crick pattern, and form triple stranded helices such as (poly(dA)•2poly(dT)) and (poly(rG)•2poly(rC)). It can be also seen in three dimensional structures of transfer RNA, as T54•A58 and U8•A14.
Упаривание трехспиральных основ
Основные пары Уотсона-Крика обозначаются символами "•", " ", или "." (например: A•T, или poly(rC)•2poly(rC)). Пары оснований ДНК в тройной спирали Hoogsteen обозначаются символами "*" или ":" (например: C•G*C+, T•A*T, C•G*G, или T•A*A).
Watson–Crick base pairs are indicated by a "•", " ", or a "." (example: A•T, or poly(rC)•2poly(rC)). Hoogsteen triple stranded DNA base pairs are indicated by a "*" or a ":" (example: C•G*C+, T•A*T, C•G*G, or T•A*A).
Структуры четырехэтажные
Пары Хогстина также позволяют формировать вторичные структуры одноцепочечной ДНК и РНК, богатых гуанином, называемые G-квадруплексами (G4 ДНК и G4 РНК). Имеются данные о формировании G4 как in vitro, так и in vivo. Предполагается, что геномные G4 регулируют транскрипцию генов, а на уровне РНК ингибируют синтез белка, стерически препятствуя функции рибосом. Для их образования необходимы четыре трио гуанинов, разделенных короткими спейсерами. Это обеспечивает формирование плоских квартетов, состоящих из уложенных ассоциаций молекул гуанина, связанных по типу Хогстина.
Hoogsteen pairs also allows formation of secondary structures of single stranded DNA and RNA G rich called G quadruplexes (G4 DNA and G4 RNA). Evidence exists for both in vitro and in vivo formation of G4s. Genomic G4s have been suggested to regulate gene transcription and at the RNA level inhibit protein synthesis through steric inhibition of ribosome function. It needs four triplets of G, separated by short spacers. This permits assembly of planar quartets which are composed of stacked associations of Hoogsteen bonded guanine molecules.