21 de moduri în care ar putea arăta ADN-ul tău

Cuprins:

21 de moduri în care ar putea arăta ADN-ul tău
21 de moduri în care ar putea arăta ADN-ul tău
Anonim

Suntem obișnuiți să gândim ADN-ul ca o dublă helix - dar aceasta este doar una dintre numeroasele sale forme. De când Watson și Crick și-au publicat modelul, celulele umane au găsit o helix ADN triplu și cvadruplu, precum și încrucișări, agrafe de păr și alte modele de țesut - unele sunt mai ușor de desenat decât de descris în cuvinte.

Schițează idei

Watson și Crick nu au fost singurii care au analizat modelul 3D al ADN-ului. Nici nu au fost primii. Resturi de date biochimice ar putea fi utilizate pentru a construi o varietate de forme moleculare și au existat multe opțiuni.

Condițiile problemei au fost aceleași pentru toți. La începutul anului 1953, era deja clar cum funcționează nucleotida:

  • restul de acid fosforic,
  • zahăr,
  • una dintre bazele azotate: adenină (A), guanină (G), timină (T) sau citozină (C).

Se știa, de asemenea, că bazele azotate erau împrăștiate de-a lungul lanțului dintr-un motiv: în orice moleculă de ADN, cantitatea totală de adenine și guanine era strict egală cu cantitatea de timine și citozine. În plus, în toate razele X ale Rosalind Franklin și Raymond Gosling, indiferent de ce bucată de ADN a fost imprimată pe ele, filamentul în sine avea aceeași grosime. Aceasta a însemnat că forma rămâne neschimbată pentru orice secvență de nucleotide.

Din aceste note introductive, Linus Pauling și Robert Corey și-au pus la punct modelul - o triplă helix cu părți azotate pe toate părțile (biochimiștii au atribuit fosfat și zahăr rolului unui nucleu intern). Această concepție părea instabilă: nu era clar de ce grupurile de fosfat încărcate negativ din centrul spiralei nu se respingeau reciproc.

Image
Image

Structura ADN conform lui Pauling și Corey

Bruce Fraser a rezolvat această problemă prin transformarea structurii din exterior: în versiunea sa, trei fire priveau cu fosfați. Bazele azotate au fost întoarse spre interior, dar Fraser nu a putut explica cum au fost conectate.

Modelul Watson și Crick cu o spirală dublă răsucite spre dreapta a fost cel mai stabil. La fel ca Fraser, oamenii de știință au plasat fosfații în exterior și bazele azotate în interior. A existat, de asemenea, un principiu clar al opoziției lor în acest model: A pe un circuit a fost întotdeauna conectat cu T pe altul și G - cu C. Acest lucru a explicat de ce grosimea structurii este stabilă - perechile AT și GC sunt despre aceeași mărime.

Image
Image

Schiță în creion a structurii ADN de Francis Crick

Apoi au existat alte încercări de a reasambla ADN-ul într-o nouă formă. Biochimistul olandez Karst Hoogsteen, de exemplu, a observat că este posibil să se conecteze aceleași perechi de nucleotide cu alte fețe - astfel încât și helixul a rămas stabil, dar sa dovedit a fi mai subțire. Alți autori au descris ADN-ul ca o spirală cu viraje alternante la stânga și la dreapta, sau chiar ca două spirale duble care formează o singură cvadruplă. Și, deși existența dublei spirale Watson-Crick a fost confirmată de multe ori, în secolul al XXI-lea oamenii continuă să speculeze despre ce forme ia un fir ADN în interiorul unei celule, unde este mult mai dificil să o vezi decât într-un test tub. Este adevărat, niciuna dintre ideile alternative de până acum nu s-a dovedit a fi suficient de bună pentru a abandona clasica dublă helică dreaptă.

Watson și Crick au făcut mai mult decât să rezolve controversa privind forma ADN-ului. Modelul lor a explicat imediat cum funcționează acest formular: o corespondență unu-la-unu face din fiecare fir un șablon pentru celălalt. Având doar unul dintre lanțuri, este întotdeauna posibil să-l restabiliți pe cel de-al doilea de-a lungul acestuia - toate modelele moderne de transfer de informații genetice se bazează pe acest principiu.

Cu toate acestea, majoritatea ideilor „respinse” s-au dovedit a fi corecte într-un fel. De aproape 70 de ani de examinare atentă a ADN-ului, au fost detectate aproape toate tipurile posibile de conexiuni de bază, alte spirale și chiar o virare la stânga.

Rulați în locul greșit

Elica dublă în sine poate fi structurată în moduri diferite. Acest lucru a fost observat de Rosalind Franklin, deși nu a presupus că există o spirală în fața ei, și chiar una dublă. În condiții normale, asemănătoare cu cele intracelulare, ADN-ul din imaginile biologului avea o formă „slăbită”, pe care Franklin o numea ADN-B. Dar dacă umiditatea din eprubetă a scăzut sub 75%, ADN-ul rezultat a fost mai larg și mai dens.

Image
Image

A (stânga) și B (dreapta) forme de ADN, așa cum este văzut de Rosalind Franklin

După cum sa dovedit mai târziu, ADN-ul A este cu adevărat mai strâns: este nevoie de 10 nucleotide pentru a întoarce helixul și nu de 11, ca în ADN-ul B. Și acestea sunt situate nu perpendiculare pe axa de simetrie a spiralei, ci într-un unghi: dacă în ADN-B nucleotidele sunt de obicei reprezentate ca linii orizontale, în ADN-ul A ar trebui să fie trasate oblic.

Watson și Crick au ales ADN-ul B ca bază pentru modelul lor și au avut dreptate. Mai târziu s-a dovedit că varianta B apare de fapt în celulă mult mai des și acum este considerată principala formă de existență a ADN-ului, iar toate abaterile sunt adesea notate prin termenul general „ADN non-B”.

Mai mult, adevărata dublă helică aproape niciodată nu se ridică la înălțimea modelului său idilic. În sistemele vii, ADN-ul B este, de regulă, răsucit puțin mai mult decât a prezis Watson și Crick, iar numărul mediu de nucleotide pe rândul unei elice în el nu este de 10 sau 11, ci de aproximativ 10,5. de nucleotide deviază în mod constant de la setul „orizontal” (aceasta se numește „rotire elice”), prin urmare, spirala nu este niciodată absolut netedă și uniformă - ici și colo, pe laturile sale, iese duritatea: capetele nucleotidelor la unghiuri diferite.

Image
Image

Rotația "elice" a nucleotidelor din ADN-B

Mai târziu s-a dovedit că bobinele spiralei nu numai că pot fi mai strânse sau mai relaxate, ci se răsucesc complet în sens invers acelor de ceasornic (de exemplu, spirala turnului Evolution din orașul Moscovei, care simbolizează clar firul ADN, este răsucită spre stânga). Printr-o ciudată coincidență, acesta este exact genul de ADN care a fost văzut în 1979, când a fost în cele din urmă posibil să se examineze acizii nucleici cu rezoluție ridicată. Era încă o dublă helix, dar într-o formă complet diferită: 12 nucleotide pe rând, chiar mai subțire decât ADN-B și răsucite nu spre dreapta, ci spre stânga. Grupurile de fosfați care ieșeau la suprafață nu formau o spirală netedă, ci un zigzag, astfel încât noua versiune a fost numită formă Z.

Image
Image

ADN-A (stânga), ADN-B (centru), ADN-Z (dreapta)

Aceasta, desigur, nu a însemnat că modelul Watson-Crick a fost greșit. Forma Z a fost obținută în condiții destul de exotice - într-o soluție cu o concentrație mare de săruri. Și în celulă, este obținut și din ADN-B numai în anumite circumstanțe: de exemplu, când „tensiunea” de pe lanț este prea mare și trebuie eliberată. Tensiunea apare din cauza răsucirii excesive: firele de ADN sunt deja înfășurate una față de cealaltă, dar dubla helix formată de acestea se înfășoară în jurul unor proteine (de exemplu, histonă), așa-numita superînfășurare. Trecerea la forma Z ajută la ameliorarea tensiunii și relaxarea virajelor inutile - și acest lucru, la rândul său, este important pentru ca noile proteine să se poată lega de ADN, de exemplu, polimeraza în timpul transcrierii.

Prin urmare, ADN-ul ia adesea forma Z în timpul transcrierii genelor. Mai mult, cu cât ADN-ul Z este mai mare, cu atât transcrierea este mai activă. Histonele nu se pot lega de ADN-ul Z, deci nimeni nu interferează cu polimeraza pentru a-și face treaba. Și acest lucru, apropo, este utilizat în mod activ de celulele tumorale, în care o helix stânga apare în timp în fața genelor de care au nevoie.

Image
Image

Turnul Evoluției (prim plan) arată ca ADN stângaci

Apoi s-au găsit alte forme ale dublei spirale. În funcție de conținutul de umiditate, conținutul de sare și secvența de nucleotide dintr-o anumită regiune, ADN-ul poate fi chiar mai alungit (ADN-E) sau micșorat (ADN C și D), poate include ioni metalici (ADN-M) sau poate fi întins astfel încât în locul bazelor azotate, grupurile fosfat (S-ADN) apar în centrul helixului. Și după ce au fost adăugate pe listă alte tipuri de ADN intracelular, cum ar fi N-ADN nuclear și R-ADN recombinant (care, cu toate acestea, au fost incluse în această listă nu datorită formei lor, ci poziției în celulă sau origine), în alfabetul englezesc pentru variantele ADN, literele sunt aproape afară. Oricine decide să deschidă o altă formă necanonică va trebui să aleagă dintre cinci forme libere: F, Q, U, V și Y.

Lista alfabetică a formelor ADN

  • ADN-ul este dublu catenar, ușor mai gros decât B.
  • ADN-ul B este cel pe care l-au construit Watson și Creek.
  • ADN-ul C este dublu catenar, 9, 3 nucleotide pe tură.
  • D-ADN este dublu catenar, îngust: 8 nucleotide pe rând, conține multe timine.
  • E-ADN-ul este dublu catenar, chiar mai îngust: 15 nucleotide la două spire.
  • ADN-ul G este o helix cvadruplă cu tetrade de guanină.
  • H-ADN este o triplă helix.
  • ADN-ul este două spirale duble ținute împreună de atracția citozinelor lor.
  • J-ADN este o altă triplă helix formată din repetiții de curent alternativ.
  • K-ADN - ADN de la tripanosomi, în special bogat în adenine.
  • L-ADN - ADN bazat pe L-dezoxiriboză (nu D- ca de obicei).
  • ADN-M - ADN-B într-un complex cu metale divalente.
  • N-ADN este ADN nuclear.
  • O-ADN este punctul de plecare al dublării ADN-ului în bacteriofagul λ.
  • P-ADN este tripla helix Pauling-Corey.
  • ADN-R - ADN recombinant (obținut prin inserarea unui fragment străin).
  • S-ADN-ul este dublu catenar, alungit de 1,6 ori mai puternic decât forma B.
  • ADN T - similar cu forma D, găsit în bacteriofagul T2.
  • ADN-ul W este sinonim cu ADN-ul Z.
  • ADN-ul X este o helix dublu catenar format prin repetiții AT.
  • Z-ADN este dublu catenar, stângaci.

Prinde-te în strânsoare

În plus față de tot felul de forme cu dublă helică și moduri de a-l țesea, ADN-ul se descompune uneori în fire individuale, care se formează în agrafe de păr, cruci și alte forme cu două fire. De asemenea, se întâmplă ca o dublă helix deja existentă să fie acoperită de noi vecini.

În 1985, s-a dovedit că Pauling și Corey aveau dreptate în urmă cu treizeci de ani: tripla helix ADN (H-ADN) există. Cu toate acestea, nu este deloc aranjat așa cum se așteptau. Într-o triplă spirală adevărată, două lanțuri sunt conectate în modul standard Watson-Crick, iar al treilea se învecinează lateral, așezat într-o canelură mare între lanțuri. În acest caz, bazele azotate ale celui de-al treilea fir suplimentar sunt conectate la perechile principale nu în mod clasic, ci parcă din lateral - prin legăturile prezise de Karst Hoogsteen. Și el, într-un fel, a avut dreptate.

Tripla helix, la fel ca multe forme alternative de ADN, apare și ca răspuns la supraînfășurarea firului. Cu toate acestea, spre deosebire de forma Z, nu acceptă transcrierea, ci, dimpotrivă, interferează cu aceasta. ARN polimeraza, care în mod obișnuit dezvăluie două fire în fața sa, nu face întotdeauna față separării triplexului. Prin urmare, dacă o triplă helix se formează într-o genă sau în regiunile sale de reglare, funcționează mai rău decât altele.

Image
Image

Variante ale formării unei triple spirale. Perechile Watson-Crick sunt indicate în negru, al treilea nucleotid suplimentar este evidențiat

De asemenea, se întâmplă ca nu două sau nu trei, ci patru catene de ADN să fie conectate simultan. Pentru ca acest lucru să se întâmple, patru nucleotide de guanină trebuie să se întâlnească într-un singur loc - nu contează dacă sunt pe două catene ale aceleiași catene sau pe patru catene diferite care nu sunt conectate între ele. Fiecare guanină formează o pereche non-clasică, Hoogsteen, cu doi vecini și împreună formează o tetradă pătrată de guanină. Dacă lângă ele există alte guanine care pot crea un pătrat, atunci se formează din ele un teanc - un teanc care conține patru fire de ADN lângă el.

Image
Image

Guanină tetrad (sus) și opțiuni pentru aranjarea lanțurilor în quadruplex (jos)

Toți cei 30 de ani care au trecut de la descoperirea cvadruplexelor, numărul proceselor în care acestea sunt cumva implicate crește. Sunt deja cunoscute mai mult de două sute de proteine care pot recunoaște selectiv tetradele de guanină - acestea din urmă joacă probabil rolul unui fel de marcaj genetic, un alt mod de a regla ambalarea și transcrierea genelor. De exemplu, ele se găsesc adesea în promotori (regiuni de reglare de la care începe transcrierea) diferitelor gene. Mai recent, oamenii de știință au reușit chiar să distingă diferite tipuri de cancer de sân prin seturi de quadruplexe - care, la rândul lor, depindeau de genele din celulele tumorale care erau hiperactive.

Cu cât ne uităm mai departe la molecula de ADN, cu atât observăm mai multe abateri de la modelul familiar. Helica dublă nu este singura și nu structura finală a ADN-ului, ci doar una (deși cea mai frecventă) dintre ipostazele pe care le ia într-un dans continuu. Respectând dictatele secvenței de nucleotide, firul ADN se contractă și se extinde, se îndoaie, se răsucește și capătă un număr infinit de forme (frumoase). Niciuna dintre ele nu este finală: structurile alternative de ADN se transformă una în cealaltă, concurează cu forma B și una cu cealaltă, respectă semnalele proteinelor celulare și își direcționează singure activitatea.

Găsiți și conduceți

Formele necanonice de ADN, pentru toată diversitatea lor, nu apar în locuri aleatorii. Stabilitatea le este dată de un anumit set de nucleotide din compoziția lor, prin urmare ele apar doar în acele părți ale lanțului în care există o secvență „convenabilă” pentru ei.

De exemplu, există anumite regiuni din ADN care sunt dispuse în special să se plieze în zigzag. Acestea sunt locurile în care alternează perechile G-C: după o virare la stânga în ele, fiecare al doilea nucleotid ia o formă „neregulată”, de unde și profilul rupt al întregii forme Z. Aceasta înseamnă că secvențele care tind să ia forma Z pot fi găsite chiar în text - dacă vedeți HZGZGZGZHZHZ, este puțin probabil să greșiți. Deci, într-o lucrare, de exemplu, au numărat 391 de astfel de regiuni din genomul uman.

Locurile în care se poate forma tripla helix pot fi recunoscute și prin secvența de nucleotide caracteristică. Al treilea lanț este atașat fie în conformitate cu principiul complementarității - adică se adaugă un alt G la perechea G-C, formând G-C * G - sau „la propriul său” - și se dovedește G * G-C. Prin urmare, o astfel de construcție apare adesea în acele locuri ale ADN-ului în care mai multe nucleotide identice (de exemplu, AAAA) sau similare din punct de vedere chimic (AGGAAG) merg la rând și unde formează palindromic (oglindă) se repetă.

În același mod, apariția cvadruplexelor poate fi prezisă din textul ADN. Conform rezultatelor unei singure secvențieri (de fapt, traducerea directă a ADN-ului în litere), peste 700 de mii dintre acestea au fost găsite în genomul uman. Nu toate sunt susceptibile de a fi găsite in vivo - pentru aceasta, firele de ADN corespunzătoare trebuie să fie aproape într-un punct al nucleului celular complex - totuși, acest lucru poate însemna că structurile cu patru elicoide au un rol specific în viață a celulei.

Formarea de forme alternative de ADN nu beneficiază întotdeauna de celulă: cele mai multe dintre ele sunt mult mai puțin durabile decât ADN-ul obișnuit și se rup mult mai des. Prin urmare, secvențele care tind să formeze forme non-B devin locuri de instabilitate genetică și mutageneză crescută. Unii cercetători văd acest lucru ca fiind motorul evoluției - dacă astfel de regiuni apar în gene asociate cu dezvoltarea unui organism. Alții dau vina pe formele alternative de ADN pentru tot felul de boli asociate cu mutații aleatorii și rearanjări ale genomului - de la tumori la schizofrenie și autism.

Se pare că ADN-ul conține nu numai informații despre structura proteinelor celulare și ARN, ci și ce forme pot lua aceste informații, pe lângă standardul Watson-Crick. Și aceste forme, la rândul lor, determină ce se întâmplă cu aceste informații: dacă celula o poate realiza sau gena, va rămâne pentru totdeauna tăcută sau chiar se va descompune cu totul, dând naștere unor mutații suplimentare.

Probabil vom învăța într-o zi să interferăm cu acest proces - am putea, de exemplu, să construim un lanț de nucleotide care să imite cea de-a treia fir în helix și să-l „alunece” la momentul potrivit în locul potrivit pentru a bloca munca unele gene nedorite din celulă. Au existat propuneri și mai îndrăznețe - de a utiliza tripla helix pentru editarea genomului țintit: introduceți o nucleotidă în celulă care poate forma o triplă helix cu regiunea ADN țintă și induceți sistemul de reparații pentru a înlocui această regiune cu o variantă „sănătoasă” din alta cromozom.

Și, în timp ce tocmai învățăm acest lucru, rămâne să recunoaștem structura ADN-ului ca un alt tip de informație - pe lângă genetică („text” nucleotidic) și epigenetic (disponibilitatea genelor pentru lectură) - care ne poartă genomul. Și mai trebuie să învățăm cum să lucrăm cu el, influențând conținutul prin intermediul formularului sau invers.

Recomandat: