21 sposobów, w jakie może wyglądać Twoje DNA

Spisu treści:

21 sposobów, w jakie może wyglądać Twoje DNA
21 sposobów, w jakie może wyglądać Twoje DNA
Anonim

Jesteśmy przyzwyczajeni do myślenia o DNA jako o podwójnej helisie - ale to tylko jedna z wielu jego form. Odkąd Watson i Crick opublikowali swój model, ludzkie komórki znalazły potrójną i poczwórną helisę DNA, a także krzyżyki, spinki do włosów i inne wzory splotów – niektóre z nich łatwiej narysować niż opisać słowami.

Szkicuj pomysły

Watson i Crick nie byli jedynymi, którzy studiowali trójwymiarowy model DNA. Nie byli nawet pierwsi. Skrawki danych biochemicznych można było wykorzystać do skonstruowania różnych form molekularnych, a opcji było wiele.

Warunki problemu były takie same dla wszystkich. Na początku 1953 było już jasne, jak działa nukleotyd:

  • pozostała część kwasu fosforowego,
  • cukier,
  • jedna z zasad azotowych: adenina (A), guanina (G), tymina (T) lub cytozyna (C).

Wiadomo było również, że zasady azotowe są rozproszone w łańcuchu nie bez powodu: w każdej cząsteczce DNA całkowita ilość adenin i guanin była ściśle równa ilości tymin i cytozyn. Ponadto we wszystkich zdjęciach rentgenowskich Rosalind Franklin i Raymonda Goslinga, niezależnie od tego, który fragment DNA został na nich odciśnięty, samo włókno miało tę samą grubość. Oznaczało to, że kształt pozostaje niezmieniony dla dowolnej sekwencji nukleotydowej.

Z tych wstępnych notatek Linus Pauling i Robert Corey stworzyli swój model - potrójną helisę najeżoną ze wszystkich stron azotowymi zasadami (biochemicy przypisali fosforanom i cukrowi rolę wewnętrznego rdzenia). Ten projekt wyglądał niestabilnie: nie było jasne, dlaczego ujemnie naładowane grupy fosforanowe w środku spirali nie odpychają się nawzajem.

Image
Image

Struktura DNA według Paulinga i Corey

Bruce Fraser rozwiązał ten problem, wywracając strukturę na lewą stronę: w jego wersji trzy wątki wyglądały z fosforanami. Zasady azotowe były skierowane do wewnątrz, ale Fraser nie potrafił wyjaśnić, w jaki sposób są połączone.

Najbardziej stabilny był model Watsona i Cricka z podwójną spiralą skręconą w prawo. Podobnie jak Fraser, naukowcy umieścili fosforany na zewnątrz, a zasady azotowe wewnątrz. Istniała również jasna zasada ich przeciwstawności w tym modelu: A na jednym obwodzie zawsze było połączone z T na drugim, a G - z C. To wyjaśniało, dlaczego grubość struktury jest stabilna - pary AT i GC są mniej więcej ten sam rozmiar.

Image
Image

Szkic ołówkiem struktury DNA autorstwa Francisa Crick

Potem były inne próby ponownego złożenia DNA w nową formę. Na przykład holenderski biochemik Karst Hoogsteen zauważył, że można połączyć te same pary nukleotydów z innymi ścianami - więc helisa również pozostała stabilna, ale okazała się cieńsza. Inni autorzy przedstawili DNA jako spiralę z naprzemiennymi skrętami w lewo i prawo, a nawet jako dwie podwójne helisy, które tworzą pojedynczą poczwórną. I chociaż istnienie podwójnej helisy Watsona-Cricka zostało od tego czasu wielokrotnie potwierdzone, w XXI wieku ludzie nadal spekulują na temat tego, jak tworzy nić DNA wewnątrz komórki, gdzie znacznie trudniej ją zobaczyć niż w teście rura. To prawda, że żaden z dotychczasowych alternatywnych pomysłów nie okazał się wystarczająco dobry, aby porzucić klasyczną prawoskrętną podwójną helisę.

Watson i Crick zrobili coś więcej niż tylko rozwiązanie kontrowersji dotyczących kształtu DNA. Ich model natychmiast wyjaśnił, jak działa ten formularz: korespondencja jeden do jednego sprawia, że każdy wątek jest szablonem dla drugiego. Mając tylko jeden z łańcuchów, zawsze możliwe jest odtworzenie drugiego wzdłuż niego - wszystkie współczesne modele przekazywania informacji genetycznej opierają się na tej zasadzie.

Niemniej jednak większość „odrzuconych” pomysłów okazała się w jakiś sposób słuszna. Przez prawie 70 lat dokładnej analizy DNA wykryto w nim prawie wszystkie możliwe typy połączeń zasad, inne spirale, a nawet skręt w lewo.

Zwiń w niewłaściwe miejsce

Sama podwójna helisa może mieć różną strukturę. Zauważyła to Rosalind Franklin, choć nie zakładała, że przed nią jest spirala, a nawet podwójna. W normalnych warunkach, przypominające wewnątrzkomórkowe, DNA na zdjęciach biologa miało „luźny” kształt, który Franklin nazwał B-DNA. Ale jeśli wilgotność w probówce spadła poniżej 75 procent, powstałe A-DNA było szersze i gęstsze.

Image
Image

A (po lewej) i B (po prawej) formy DNA widziane przez Rosalind Franklin

Jak się później okazało, A-DNA jest naprawdę mocno skręcone: do skręcenia helisy potrzeba 10 nukleotydów, a nie 11, jak w przypadku B-DNA. Znajdują się one nie prostopadle do osi symetrii spirali, ale pod kątem: jeśli w B-DNA nukleotydy są zwykle przedstawiane jako linie poziome, w A-DNA należy je narysować ukośnie.

Watson i Crick wybrali B-DNA jako podstawę swojego modelu i mieli rację. Później okazało się, że wariant B faktycznie występuje w komórce znacznie częściej i obecnie jest uważany za główną formę istnienia DNA, a wszelkie odchylenia są często oznaczane ogólnym terminem „DNA inne niż B”.

Co więcej, prawdziwa podwójna helisa prawie nigdy nie dorównuje swojemu idyllicznemu modelowi. W żywych systemach B-DNA jest z reguły skręcone nieco bardziej niż przewidywali Watson i Crick, a średnia liczba nukleotydów na obrót helisy w nim wynosi nie 10 lub 11, ale około 10,5. Ponadto poszczególne pary nukleotydów stale odbiega od ustawionego „poziomego” (nazywa się to „obrotem śmigła”), dlatego spirala nigdy nie jest absolutnie gładka i równa – tu i ówdzie na jej bokach wystaje chropowatość: końce nukleotydów pod różnymi kątami.

Image
Image

„Śmigło” nukleotydów w B-DNA

Później okazało się, że zwoje spirali mogą nie tylko leżeć mocniej lub bardziej rozluźnione, ale całkowicie skręcać się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (na przykład spirala wieży Evolution w Moskwie, która wyraźnie symbolizuje nić DNA, jest skręcona w lewo). Dziwnym zbiegiem okoliczności jest to dokładnie ten rodzaj DNA, który zaobserwowano w 1979 roku, kiedy w końcu udało się zbadać kwasy nukleinowe w wysokiej rozdzielczości. To wciąż była podwójna helisa, ale w zupełnie innym kształcie: 12 nukleotydów na obrót, jeszcze cieńsza niż B-DNA i skręcona nie w prawo, ale w lewo. Wystające na powierzchni grupy fosforanowe nie tworzyły gładkiej spirali, lecz zygzak, dlatego nową wersję nazwano Z-kształtem.

Image
Image

A-DNA (po lewej), B-DNA (w środku), Z-DNA (po prawej)

To oczywiście nie oznaczało, że model Watsona-Cricka był błędny. Forma Z została uzyskana w dość egzotycznych warunkach - w roztworze o wysokim stężeniu soli. A w komórce jest również uzyskiwany z B-DNA tylko w pewnych okolicznościach: na przykład, gdy „napięcie” na łańcuchu jest zbyt wysokie i musi zostać uwolnione. Napięcie pojawia się z powodu nadmiernego skręcenia: nici DNA są już owinięte względem siebie, ale utworzona przez nie podwójna helisa nawija się wokół jakiegoś białka (np. histonu), następuje tak zwane superzwijanie. Przejście do formy Z pomaga rozładować napięcie i rozluźnić niepotrzebne skręty - a to z kolei jest ważne, aby nowe białka mogły wiązać się z DNA, na przykład polimerazą podczas transkrypcji.

Dlatego DNA często przyjmuje formę Z podczas transkrypcji genów. Co więcej, im więcej jest Z-DNA, tym bardziej aktywna jest transkrypcja. Histony nie mogą wiązać się z Z-DNA, więc nikt nie ingeruje w polimerazę, aby wykonywała swoją pracę. A nawiasem mówiąc, jest to aktywnie wykorzystywane przez komórki nowotworowe, w których lewoskrętna helisa pojawia się z czasem przed potrzebnymi im genami.

Image
Image

Wieża Evolution (na pierwszym planie) wygląda jak DNA dla leworęcznych

Następnie znaleziono inne formy podwójnej helisy. W zależności od zawartości wilgoci, zawartości soli i sekwencji nukleotydów w danym regionie, DNA może być jeszcze bardziej wydłużony (E-DNA) lub skurczony (C- i D-DNA), zawierać jony metali (M-DNA) lub być rozciągnięty tak, że zamiast zasad azotowych w centrum helisy pojawiają się grupy fosforanowe (S-DNA). A po dodaniu do listy innych typów wewnątrzkomórkowego DNA, takich jak jądrowy N-DNA i rekombinowany R-DNA (które jednak znalazły się na tej liście nie ze względu na ich kształt, ale położenie w komórce lub pochodzenie), w alfabetu angielskiego dla wariantów DNA, litery prawie się skończyły. Każdy, kto zdecyduje się otworzyć bardziej niekanoniczny formularz, będzie musiał wybrać spośród pięciu darmowych: F, Q, U, V i Y.

Alfabetyczna lista form DNA

  • A-DNA jest dwuniciowy, nieco grubszy niż B.
  • B-DNA to ten, który zbudowali Watson i Creek.
  • C-DNA jest dwuniciowy, 9, 3 nukleotydy na turę.
  • D-DNA jest dwuniciowy, wąski: 8 nukleotydów na obrót, zawiera wiele tymin.
  • E-DNA jest dwuniciowy, jeszcze węższy: 15 nukleotydów na dwa obroty.
  • G-DNA to poczwórna helisa z tetradami guaninowymi.
  • H-DNA to potrójna helisa.
  • I-DNA to dwie podwójne helisy utrzymywane razem przez przyciąganie ich cytozyn.
  • J-DNA to kolejna potrójna helisa utworzona przez powtórzenia AC.
  • K-DNA - DNA z trypanosomów, szczególnie bogaty w adeniny.
  • L-DNA - DNA oparte na L-deoksyrybozie (nie jak zwykle D-).
  • M-DNA - B-DNA w kompleksie z metalami dwuwartościowymi.
  • N-DNA to jądrowy DNA.
  • O-DNA jest punktem początkowym podwojenia DNA w bakteriofagu λ.
  • P-DNA to potrójna helisa Paulinga-Coreya.
  • R-DNA - zrekombinowany DNA (uzyskany przez wstawienie obcego fragmentu).
  • S-DNA jest dwuniciowe, wydłużone 1,6 raza mocniejsze niż forma B.
  • T-DNA - podobny do formy D, występującej w bakteriofagu T2.
  • W-DNA jest synonimem Z-DNA.
  • X-DNA jest dwuniciową helisą utworzoną przez powtórzenia AT.
  • Z-DNA jest dwuniciowy, leworęczny.

Weź się w garść

Oprócz wszelkiego rodzaju kształtów podwójnej helisy i sposobów jej tkania, DNA czasami rozpada się na pojedyncze nici, które tworzą spinki do włosów, krzyżyki i inne dwuniciowe kształty. Zdarza się również, że istniejąca już podwójna helisa zarasta nowymi sąsiadami.

W 1985 roku okazało się, że Pauling i Corey mieli rację trzydzieści lat temu: istnieje potrójna helisa DNA (H-DNA). Jednak wcale nie jest zaaranżowane tak, jak oczekiwali. W prawdziwej potrójnej helisie dwa łańcuchy są połączone w standardowy sposób Watsona-Cricka, a trzeci przylega do nich z boku, leżąc w dużym rowku między łańcuchami. W tym przypadku zasady azotowe trzeciej, dodatkowej nici są połączone z głównymi parami nie w sposób klasyczny, ale jakby z boku - właśnie wiązaniami przewidzianymi przez Karsta Hoogsteena. On też w pewnym sensie miał rację.

Potrójna helisa, podobnie jak wiele alternatywnych form DNA, również powstaje w odpowiedzi na superzwijanie się nici. Jednak w przeciwieństwie do formy Z, nie obsługuje transkrypcji, a wręcz przeciwnie, zakłóca ją. Polimeraza RNA, która zwykle rozplata przed sobą dwie nici, nie zawsze radzi sobie z oddzieleniem tripleksu. Dlatego też, jeśli w genie lub jego regionach regulatorowych powstaje potrójna helisa, działa gorzej niż inne.

Image
Image

Warianty powstawania potrójnej helisy. Pary Watsona-Cricka są zaznaczone na czarno, dodatkowy trzeci nukleotyd jest podświetlony

Zdarza się również, że nie dwie lub nie trzy, ale cztery nici DNA łączą się jednocześnie. Aby tak się stało, cztery nukleotydy guaninowe muszą spotkać się w jednym miejscu - nie ma znaczenia, czy są na dwóch niciach tej samej nici, czy na czterech różnych niciach, które nie są ze sobą połączone. Każda guanina tworzy nieklasyczną parę Hoogsteena z dwoma sąsiadami i razem tworzą kwadratową tetradę guaninową. Jeśli obok nich znajdują się inne guaniny, które mogą tworzyć kwadrat, to powstaje z nich stos - stos, który zawiera obok siebie cztery nici DNA.

Image
Image

Tetrada guaninowa (na górze) i opcje rozmieszczenia łańcuchów w kwadrupleksie (na dole)

Przez całe 30 lat, które minęły od odkrycia kwadrupleksów, liczba procesów, w które są one w jakiś sposób zaangażowane, rośnie. Znanych jest już ponad dwieście białek, które potrafią selektywnie rozpoznawać tetrady guaninowe – te ostatnie prawdopodobnie pełnią rolę pewnego rodzaju znacznika genetycznego, innego sposobu regulacji pakowania i transkrypcji genów. Na przykład często znajdują się w promotorach (regionach regulatorowych, od których rozpoczyna się transkrypcja) różnych genów. Niedawno naukowcom udało się nawet rozróżnić różne typy raka piersi za pomocą zestawów kwadrupleksów – co z kolei zależało od nadaktywności genów w komórkach nowotworowych.

Im dalej patrzymy na cząsteczkę DNA, tym bardziej zauważamy odchylenia od znanego od dawna modelu. Podwójna helisa nie jest jedyną i nie ostateczną strukturą DNA, ale tylko jedną (choć najczęstszą) z pozycji, jakie przyjmuje w ciągłym tańcu. Posłuszne nakazom sekwencji nukleotydów, nić DNA kurczy się i rozszerza, zgina, skręca i przybiera nieskończoną liczbę (pięknych) form. Żadna z nich nie jest ostateczna: alternatywne struktury DNA przekształcają się w siebie, konkurują z formą B i ze sobą, są posłuszne sygnałom białek komórkowych i same kierują ich pracą.

Znajdź i poprowadź

Niekanoniczne formy DNA, przy całej swojej różnorodności, nie pojawiają się w przypadkowych miejscach. Stabilność nadaje im pewien zestaw nukleotydów w ich składzie, dlatego pojawiają się tylko w tych częściach łańcucha, w których istnieje dla nich „wygodna” sekwencja.

Na przykład w DNA są pewne regiony, które są szczególnie skłonne do fałdowania się w zygzak. To miejsca, w których pary G-C przeplatają się: po skręcie w nich w lewo co drugi nukleotyd przyjmuje „nieregularny” kształt, stąd pęknięty profil całego Z-kształtu. Oznacza to, że sekwencje, które mają tendencję do przybierania kształtu Z, można znaleźć w tekście - jeśli widzisz HZGZGZGZHZHZ, jest mało prawdopodobne, że się pomylisz. Na przykład w jednej pracy policzono 391 takich regionów w ludzkim genomie.

Miejsca, w których może powstać potrójna helisa, można również rozpoznać po charakterystycznej sekwencji nukleotydowej. Trzeci łańcuch jest dołączony albo zgodnie z zasadą komplementarności - to znaczy, że do pary G-C dodaje się kolejny G, tworząc G-C * G - lub „do siebie” - i okazuje się, że G * G-C. Dlatego taka konstrukcja często występuje w tych miejscach DNA, w których kilka identycznych (np. YYYYG) lub chemicznie podobnych (AGGAAG) nukleotydów idzie w rzędzie i gdzie tworzą palindromiczne (lustrzane) powtórzenia.

W ten sam sposób na podstawie tekstu DNA można przewidzieć pojawienie się kwadrupleksów. Zgodnie z wynikami tylko jednego sekwencjonowania (w rzeczywistości bezpośredniej translacji DNA na litery), w ludzkim genomie znaleziono ponad 700 tysięcy z nich. Prawdopodobnie nie wszystkie z nich można znaleźć in vivo - w tym celu odpowiednie nici DNA muszą być blisko w jednym punkcie złożonego jądra komórkowego - może to jednak oznaczać, że czterohelisowe struktury mają określoną rolę w życiu komórki.

Tworzenie alternatywnych form DNA nie zawsze jest korzystne dla komórki: większość z nich jest znacznie mniej trwała niż zwykłe B-DNA i pęka znacznie częściej. Dlatego sekwencje, które mają tendencję do tworzenia form innych niż B, stają się miejscami niestabilności genetycznej i zwiększonej mutagenezy. Niektórzy badacze postrzegają to jako motor ewolucji - jeśli takie regiony pojawiają się w genach związanych z rozwojem organizmu. Inni obwiniają alternatywne formy DNA za wszelkiego rodzaju choroby związane z przypadkowymi mutacjami i rearanżacjami genomu – od guzów po schizofrenię i autyzm.

Okazuje się, że DNA, oprócz standardu Watsona-Cricka, zawiera nie tylko informacje o budowie białek komórkowych i RNA, ale także jakie formy mogą przybierać te informacje. A te formy z kolei określają, co dzieje się z tą informacją: czy komórka może ją zrealizować, czy gen, będzie na zawsze milczeć, czy nawet całkowicie się rozpadnie, powodując dodatkowe mutacje.

Pewnego dnia nauczymy się ingerować w ten proces – moglibyśmy np. zbudować łańcuch nukleotydów, który naśladowałby trzecią nić w helisie i „wyślizgiwał się” ją we właściwym czasie we właściwym miejscu, aby zablokować pracę jakiś niechciany gen w komórce. Pojawiły się jeszcze śmielsze propozycje – użyć potrójnej helisy do celowanej edycji genomu: wprowadzić do komórki nukleotyd, który może utworzyć potrójną helisę z docelowym regionem DNA i zaindukować system naprawy do zastąpienia tego regionu „zdrowym” wariantem z innego chromosom.

I chociaż dopiero się tego uczymy, pozostaje rozpoznanie struktury DNA jako innego rodzaju informacji – oprócz informacji genetycznej ("tekst nukleotydowy") i epigenetycznej (dostępność genów do odczytu) - która zawiera nasz genom. A trzeba się jeszcze nauczyć, jak z nim pracować, wpływając na treść poprzez formę lub odwrotnie.

Zalecana: