Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с базовых пар )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Живописание из аденина - тимин Уотсона-Крика пар оснований

Пар оснований ( п.о. ) является основной единицей двухцепочечных нуклеиновых кислот , состоящих из двух нуклеотидных связанных друг с другом посредством водородных связей . Они образуют строительные блоки двойной спирали ДНК и вносят вклад в складчатую структуру как ДНК, так и РНК . Продиктованный специфических свойства водородного связывания моделей, пар оснований «Уотсон-Крик» ( гуанин - цитозин и аденин - тимин ) [1] позволяют спираль ДНК , чтобы поддерживать регулярную спиральную структуру, которая тонко зависит от его нуклеотидной последовательности. [2] комплементарный характер этой основы-парной структура обеспечивает избыточную копию генетической информации , закодированной в пределах каждой нити ДНК. Регулярная структура и избыточность данных, обеспечиваемая двойной спиралью ДНК, делают ДНК хорошо подходящей для хранения генетической информации, в то время как спаривание оснований между ДНК и поступающими нуклеотидами обеспечивает механизм, посредством которого ДНК-полимераза реплицирует ДНК, а РНК-полимераза транскрибирует ДНК в РНК. Многие ДНК-связывающие белки могут распознавать специфические паттерны спаривания оснований, которые идентифицируют определенные регуляторные области генов.

Внутримолекулярные пары оснований могут встречаться в одноцепочечных нуклеиновых кислотах. Это особенно важно в молекулах РНК (например, РНК переноса ), где пары оснований Уотсона-Крика (гуанин-цитозин и аденин- урацил ) допускают образование коротких двухцепочечных спиралей и широкий спектр взаимодействий, не связанных с Ватсоном-Криком. (например, G – U или A – A) позволяют РНК складываться в широкий диапазон конкретных трехмерных структур . Кроме того, спаривание оснований между транспортной РНК (тРНК) и информационной РНК (мРНК) формирует основу для событий молекулярного распознавания , в результате которых нуклеотидная последовательность мРНК транслируется в аминокислотную последовательностьбелки через генетический код .

Размер отдельного гена или всего генома организма часто измеряется парами оснований, потому что ДНК обычно двухцепочечная. Следовательно, общее количество пар оснований равно количеству нуклеотидов в одной из цепей (за исключением некодирующих одноцепочечных областей теломер ). Гаплоидный геном человеческого (23 хромосомы ), по оценкам, около 3,2 млрд оснований в длину и содержит 20,000-25,000 различных белок-кодирующих генов. [3] [4] [5] килобаза (кб) является единицей измерения в области молекулярной биологии , равный 1000 пары оснований ДНК или РНК. [6]Общее количество пар оснований ДНК на Земле оценивается в 5,0 × 10 37 при весе 50 миллиардов тонн . [7] Для сравнения, общая масса из биосферы , по оценкам, быть столько , сколько 4  TTC (триллион тонн углерода ). [8]

Водородная связь и стабильность [ править ]

Вверху - пара оснований GC с тремя водородными связями . Внизу, пара оснований AT с двумя водородными связями. Нековалентные водородные связи между основаниями показаны пунктирными линиями. Волнистые линии обозначают соединение с пентозным сахаром и указывают в направлении малой бороздки.

Водородная связь - это химическое взаимодействие, лежащее в основе правил образования пар оснований, описанных выше. Соответствующее геометрическое соответствие доноров и акцепторов водородных связей позволяет стабильно образовываться только «правильным» парам. ДНК с высоким содержанием GC более стабильна, чем ДНК с низким содержанием GC. Но, вопреки распространенному мнению, водородные связи существенно не стабилизируют ДНК; стабилизация происходит в основном за счет стэкинг-взаимодействий . [9]

Более крупные азотистые основания , аденин и гуанин, являются членами класса двойных кольцевых химических структур, называемых пуринами ; более мелкие азотистые основания, цитозин и тимин (и урацил), являются членами класса однокольцевых химических структур, называемых пиримидинами.. Пурины комплементарны только пиримидинам: пары пиримидин-пиримидин энергетически невыгодны, потому что молекулы находятся слишком далеко друг от друга для установления водородной связи; Пурин-пуриновые пары энергетически невыгодны, потому что молекулы расположены слишком близко, что приводит к перекрыванию отталкивания. Спаривание пурин-пиримидиновых оснований AT или GC или UA (в РНК) приводит к правильной дуплексной структуре. Единственными другими парами пурин-пиримидин будут AC, GT и UG (в РНК); эти спаривания не соответствуют друг другу, потому что структуры доноров и акцепторов водорода не соответствуют. Спаривание GU с двумя водородными связями действительно довольно часто встречается в РНК (см. Пара оснований колебания ).

Парные молекулы ДНК и РНК сравнительно стабильны при комнатной температуре, но две нуклеотидные нити будут разделяться выше точки плавления, которая определяется длиной молекул, степенью неправильного спаривания (если таковая имеется) и содержанием GC. Более высокое содержание GC приводит к более высоким температурам плавления; Поэтому неудивительно, что геномы экстремофильных организмов, таких как Thermus thermophilus , особенно богаты GC. Напротив, области генома, которые необходимо часто разделять - например, промоторные области для часто транскрибируемых генов - сравнительно бедны GC (например, см. Вставку TATA ). При проектировании также необходимо учитывать содержание ГХ и температуру плавления. праймеры для реакций ПЦР .

Примеры [ править ]

Следующие ниже последовательности ДНК иллюстрируют парные двухцепочечные структуры. По соглашению, верхняя нить пишется от конца 5 футов до конца 3 футов ; таким образом, нижняя нить написана от 3 'до 5'.

Последовательность ДНК с парными основаниями:
ATCGATTGAGCTCTAGCG
TAGCTAACTCGAGATCGC
Соответствующая последовательность РНК, в которой урацил заменен на тимин в цепи РНК:
AUCGAUUGAGCUCUAGCG
UAGCUAACUCGAGAUCGC

Базовые аналоги и интеркаляторы [ править ]

Основная статья: аналог нуклеиновой кислоты

Химические аналоги нуклеотидов могут занять место собственных нуклеотидов и установить не-каноническое спаривание оснований, что приводит к ошибкам ( в основном точечные мутации ) в ДНК репликации и транскрипции ДНК . Это связано с их изостерической химией. Одним из распространенных аналогов мутагенных оснований является 5-бромурацил , который напоминает тимин, но может образовывать пары оснований с гуанином в его енольной форме.

Другие химические вещества, известные как интеркаляторы ДНК , вписываются в промежуток между соседними основаниями на одной цепи и вызывают мутации сдвига рамки считывания , «маскируясь» под основание, заставляя механизм репликации ДНК пропускать или вставлять дополнительные нуклеотиды в интеркалированный сайт. Большинство интеркаляторов представляют собой крупные полиароматические соединения, известные или предполагаемые канцерогены . Примеры включают бромид этидия и акридин .

Неестественная пара оснований (UBP) [ править ]

См. Также: Искусственный синтез генов , Расширенный генетический код , Аналог нуклеиновой кислоты и Синтетическая геномика

Неестественная пара оснований (UBP) - это разработанная субъединица (или нуклеиновое основание ) ДНК, которая создается в лаборатории и не встречается в природе. ДНК - последовательности были описаны , которые используют вновь созданные нуклеотидных для образования третьей пары оснований, в дополнение к двум парам оснований в природе, АТ ( аденин - тимин ) и ГХ ( гуанин - цитозин ). Несколько исследовательских групп искали третью пару оснований для ДНК, в том числе группы под руководством Стивена А. Беннера , Филиппа Марлиера , Флойда Э. Ромесберга и Ичиро Хирао . [10]Сообщалось о некоторых новых парах оснований, основанных на альтернативных водородных связях, гидрофобных взаимодействиях и координации металлов. [11] [12] [13] [14]

В 1989 году Стивен Беннер (тогда работавший в Швейцарском федеральном технологическом институте в Цюрихе) и его команда возглавили разработку модифицированных форм цитозина и гуанина в молекулах ДНК in vitro . [15] Нуклеотиды, кодирующие РНК и белки, были успешно реплицированы in vitro . С тех пор команда Беннера пытается спроектировать ячейки, которые могут создавать зарубежные базы с нуля, устраняя необходимость в сырье. [16]

В 2002 году группа Ичиро Хирао в Японии разработала неестественную пару оснований между 2-амино-8- (2-тиенил) пурином (ами) и пиридин-2-оном (y), которые участвуют в транскрипции и трансляции для сайт-специфичных включение нестандартных аминокислот в белки. [17] В 2006 году они создали 7- (2-тиенил) имидазо [4,5-b] пиридин (Ds) и пиррол-2-карбальдегид (Pa) в качестве третьей пары оснований для репликации и транскрипции. [18] Впоследствии Ds и 4- [3- (6-аминогексанамидо) -1-пропинил] -2-нитропиррол (Px) были обнаружены как высокоточная пара в ПЦР-амплификации. [19] [20] В 2013 году они применили пару Ds-Px для создания ДНК-аптамеров in vitro.селекция (SELEX) и продемонстрировала, что расширение генетического алфавита значительно увеличивает сродство ДНК-аптамеров к целевым белкам. [21]

В 2012 году группа американских ученых во главе с Флойдом Ромесбергом, химическим биологом из Исследовательского института Скриппса в Сан-Диего, Калифорния, опубликовала, что его команда разработала неестественную пару оснований (UBP). [13] Два новых искусственных нуклеотида или пара неестественных оснований (UBP) были названы d5SICS и dNaM . С технической точки зрения , эти искусственные нуклеотиды, несущие гидрофобные азотистые основания , содержат два слитых ароматических кольца, которые образуют комплекс (d5SICS – dNaM) или пару оснований в ДНК. [16] [22] Его команда разработала множество in vitroили шаблоны «пробирки», содержащие неестественную пару оснований, и они подтвердили, что они эффективно реплицировались с высокой точностью практически во всех контекстах последовательностей с использованием современных стандартных методов in vitro , а именно ПЦР-амплификации ДНК и приложений на основе ПЦР. [13] Их результаты показывают, что для приложений на основе ПЦР и ПЦР пара неестественных оснований d5SICS – dNaM функционально эквивалентна естественной паре оснований, и в сочетании с двумя другими естественными парами оснований, используемыми всеми организмами, A – T и G – C, они представляют собой полностью функциональный и расширенный шестибуквенный «генетический алфавит». [22]

В 2014 году та же команда из Исследовательского института Скриппса сообщила, что они синтезировали отрезок кольцевой ДНК, известный как плазмида, содержащая естественные пары оснований TA и CG, вместе с самой эффективной лабораторией UBP, разработанной Ромесбергом, и вставили ее в клетки общей бактерии. E. coli, которая успешно реплицировала неестественные пары оснований в нескольких поколениях. [10] трансфекции не препятствуют росту кишечной палочки клеток и не показывал никаких признаков потери своих неестественных пар оснований к своему естественному репарации ДНК механизмов. Это первый известный пример передачи живым организмом расширенного генетического кода последующим поколениям. [22][23] Ромесберг сказал, что он и его коллеги создали 300 вариантов для уточнения конструкции нуклеотидов, которые будут достаточно стабильными и будут воспроизводиться так же легко, как и естественные, при делении клеток. Это было частично достигнуто путем добавления поддерживающего гена водорослей, который экспрессируетпереносчик нуклеотидтрифосфата, который эффективно импортирует трифосфаты как d5SICSTP, так и dNaMTP вбактерии E. coli . [22] Затем естественные пути репликации бактерий используют их для точной репликации плазмиды, содержащей d5SICS-dNaM. Другие исследователи были удивлены тем, что бактерии воспроизвели эти субъединицы ДНК, созданные человеком. [24]

Успешное включение третьей пары оснований является значительным прорывом в достижении цели значительного увеличения числа аминокислот, которые могут кодироваться ДНК, с существующих 20 аминокислот до теоретически возможных 172, тем самым расширяя потенциал живых организмов до производить новые белки . [10] Искусственные нити ДНК еще ничего не кодируют, но ученые предполагают, что они могут быть созданы для производства новых белков, которые могут иметь промышленное или фармацевтическое применение. [25] Эксперты говорят, что синтетическая ДНК, включающая неестественную пару оснований, увеличивает возможность существования форм жизни, основанных на другом коде ДНК. [24] [25]

Измерения длины [ править ]

Следующие сокращения обычно используются для описания длины молекулы D / R NA :

  • bp = пара оснований - один bp соответствует приблизительно 3,4 Å (340 пм ) [26] длины вдоль нити и приблизительно 618 или 643 дальтонам для ДНК и РНК соответственно.
  • kb (= kbp) = килограмм пар оснований = 1000 bp
  • Mb (= Mbp) = мега пар оснований = 1000000 пар оснований
  • Gb = гига пар оснований = 1000000000 пар оснований.

Для одноцепочечной ДНК / РНК используются нуклеотидные единицы - сокращенно nt (или knt, Mnt, Gnt), поскольку они не спарены. Чтобы различать единицы компьютерной памяти и базы, для пар оснований можно использовать kbp, Mbp, Gbp и т.д.

Сантиморган также часто используется для обозначения расстояния вдоль хромосомы, но число пар оснований , что соответствует варьирует в широких пределах. В геноме человека сентиморган составляет около 1 миллиона пар оснований. [27] [28]

См. Также [ править ]

  • Список однонуклеотидных полиморфизмов Y-ДНК
  • Неканоническая пара оснований
  • Правила Чаргаффа

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Спенсер, М. (10 января 1959 г.). «Стереохимия дезоксирибонуклеиновой кислоты. II. Водородно-связанные пары оснований» . Acta Crystallographica . 12 (1): 66–71. DOI : 10.1107 / S0365110X59000160 . ISSN  0365-110X .
  2. ^ Журкин В. Б., Tolstorukov М.Ю., Сюй F, Colasanti А.В., Olson WK (2005). «Последовательно-зависимая изменчивость B-ДНК». Конформация ДНК и транскрипция . С. 18–34. DOI : 10.1007 / 0-387-29148-2_2 . ISBN 978-0-387-25579-8. Отсутствует или пусто |title=( справка )
  3. Перейти ↑ Moran LA (2011-03-24). «Общий размер генома человека, скорее всего, составит ~ 3200 мегабайт» . Sandwalk.blogspot.com . Проверено 16 июля 2012 .
  4. ^ «Конечная длина генома человека составляет 2,86 Гб» . Strategicgenomics.com. 2006-06-12 . Проверено 16 июля 2012 .
  5. ^ Международный консорциум по секвенированию генома человека (октябрь 2004 г.). «Завершение эухроматической последовательности генома человека» . Природа . 431 (7011): 931–45. Bibcode : 2004Natur.431..931H . DOI : 10,1038 / природа03001 . PMID 15496913 . 
  6. Перейти ↑ Cockburn AF, Newkirk MJ, Firtel RA (декабрь 1976 г.). «Организация генов рибосомной РНК Dictyostelium discoideum: картирование нетранскрибируемых спейсерных областей». Cell . 9 (4 Pt 1): 605–13. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (76) 90043-X . PMID 1034500 . S2CID 31624366 .  
  7. ^ Nuwer R (18 июля 2015). «Подсчет всей ДНК на Земле» . Нью-Йорк Таймс . Нью-Йорк: Компания New York Times. ISSN 0362-4331 . Проверено 18 июля 2015 . 
  8. ^ "Биосфера: разнообразие жизни" . Институт глобальных изменений Аспена . Базальт, CO . Проверено 19 июля 2015 .
  9. ^ Яковчук P, E Protozanova, Франк-Каменецкий MD (2006-01-30). «Вклады укладки оснований и спаривания оснований в термостабильность двойной спирали ДНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 34 (2): 564–74. DOI : 10.1093 / NAR / gkj454 . PMC 1360284 . PMID 16449200 .  
  10. ^ a b c Fikes BJ (8 мая 2014 г.). «Жизнь с расширенным генетическим кодом» . Сан-Диего Юнион Трибьюн . Архивировано из оригинала 9 мая 2014 года . Дата обращения 8 мая 2014 .
  11. Перейти ↑ Yang Z, Chen F, Alvarado JB, Benner SA (сентябрь 2011 г.). «Амплификация, мутации и секвенирование шестибуквенной синтетической генетической системы» . Журнал Американского химического общества . 133 (38): 15105–12. DOI : 10.1021 / ja204910n . PMC 3427765 . PMID 21842904 .  
  12. ^ Yamashige R, Кимото М, Takezawa Y, Сато А, Т Мицуи, Ёкояма S, Hirao я (март 2012). «Высокоспецифичные системы неестественных пар оснований в качестве третьей пары оснований для амплификации ПЦР» . Исследования нуклеиновых кислот . 40 (6): 2793–806. DOI : 10.1093 / NAR / gkr1068 . PMC 3315302 . PMID 22121213 .  
  13. ^ a b c Малышев Д.А., Дхами К., Quach HT, Lavergne T, Ordoukhanian P, Torkamani A, Romesberg FE (июль 2012 г.). «Эффективная и независимая от последовательности репликация ДНК, содержащей третью пару оснований, устанавливает функциональный шестибуквенный генетический алфавит» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (30): 12005–10. Bibcode : 2012PNAS..10912005M . DOI : 10.1073 / pnas.1205176109 . PMC 3409741 . PMID 22773812 .  
  14. ^ Takezawa, Юсук; Мюллер, Йенс; Шионоя, Мицухико (05.05.2017). «Искусственное соединение оснований ДНК, опосредованное различными ионами металлов» . Письма по химии . 46 (5): 622–633. DOI : 10,1246 / cl.160985 . ISSN 0366-7022 . 
  15. ^ Switzer C, Морони SE, Беннер SA (1989). «Ферментативное включение новой пары оснований в ДНК и РНК». Варенье. Chem. Soc . 111 (21): 8322–8323. DOI : 10.1021 / ja00203a067 .
  16. ^ a b Callaway E (7 мая 2014 г.). «Ученые создают первый живой организм с« искусственной »ДНК» . Новости природы . Huffington Post . Дата обращения 8 мая 2014 .
  17. ^ Hirao I, Ohtsuki T, Fujiwara T, Mitsui T, Yokogawa T, Okuni T, Nakayama H, Takio K, Yabuki T, Kigawa T, Kodama K, Yokogawa T, Nishikawa K, Yokoyama S (февраль 2002). «Неестественная пара оснований для включения аналогов аминокислот в белки». Природа Биотехнологии . 20 (2): 177–82. DOI : 10.1038 / nbt0202-177 . PMID 11821864 . S2CID 22055476 .  
  18. ^ Hirao I, Kimoto M, Mitsui T, Fujiwara T, Kawai R, Сато A, Харада Y, Ёкояма S (сентябрь 2006). «Неестественная гидрофобная система пар оснований: сайт-специфическое включение аналогов нуклеотидов в ДНК и РНК». Природные методы . 3 (9): 729–35. DOI : 10.1038 / nmeth915 . PMID 16929319 . S2CID 6494156 .  
  19. ^ Кимото, М. и др. (2009) Неестественная система пар оснований для эффективной ПЦР-амплификации и функционализации молекул ДНК. Нуклеиновые кислоты Res. 37, е14
  20. ^ Yamashige R, Кимото М, Takezawa Y, Сато А, Т Мицуи, Ёкояма S, Hirao я (март 2012). «Высокоспецифичные системы неестественных пар оснований в качестве третьей пары оснований для амплификации ПЦР» . Исследования нуклеиновых кислот . 40 (6): 2793–806. DOI : 10.1093 / NAR / gkr1068 . PMC 3315302 . PMID 22121213 .  
  21. ^ Kimoto M, Yamashige R, Матсунага К Yokoyama S, Hirao I (май 2013). «Генерация высокоаффинных ДНК-аптамеров с использованием расширенного генетического алфавита». Природа Биотехнологии . 31 (5): 453–7. DOI : 10.1038 / nbt.2556 . PMID 23563318 . S2CID 23329867 .  
  22. ^ a b c d Малышев Д.А., Дхами К., Лавернь Т., Чен Т., Дай Н., Фостер Дж. М., Корреа И. Р., Ромесберг Ф. Э. (май 2014 г.). «Полусинтетический организм с расширенным генетическим алфавитом» . Природа . 509 (7500): 385–8. Bibcode : 2014Natur.509..385M . DOI : 10,1038 / природа13314 . PMC 4058825 . PMID 24805238 .  
  23. ↑ Образец I (7 мая 2014 г.). «Первые формы жизни, передающие искусственную ДНК, созданную учеными США» . Хранитель . Дата обращения 8 мая 2014 .
  24. ^ a b «Ученые создали первый живой организм, содержащий искусственную ДНК» . The Wall Street Journal . Fox News. 8 мая 2014 года . Дата обращения 8 мая 2014 .
  25. ↑ a b Pollack A (7 мая 2014 г.). «Ученые добавляют буквы к алфавиту ДНК, вселяя надежду и страх» . Нью-Йорк Таймс . Дата обращения 8 мая 2014 .
  26. ↑ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж, Морган Д., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (декабрь 2014 г.). Молекулярная биология клетки (6-е изд.). Нью-Йорк / Абингдон: Garland Science, Taylor & Francis Group. п. 177. ISBN. 978-0-8153-4432-2.
  27. ^ «NIH ORDR - Глоссарий - C» . Rarediseases.info.nih.gov . Проверено 16 июля 2012 .
  28. ^ Скотт MP, Matsudaira P, Lodish H, Darnell J, Zipursky L, Kaiser CA, Berk A, Krieger M (2004). Молекулярная клеточная биология (пятое изд.). Сан-Франциско: WH Freeman. п. 396 . ISBN 978-0-7167-4366-8. ... у человека в среднем 1 сантиморган представляет собой расстояние примерно 7,5х10 5 пар оснований.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Уотсон Дж. Д., Бейкер Т. А., Белл С. П., Ганн А., Левин М., Лосик Р. (2004). Молекулярная биология гена (5-е изд.). Пирсон Бенджамин Каммингс: CSHL Press. (См. Особенно главы 6 и 9)
  • Sigel A, Sigel H, Sigel RK, ред. (2012). Взаимодействие между ионами металлов и нуклеиновыми кислотами . Ионы металлов в науках о жизни. 10 . Springer. DOI : 10.1007 / 978-94-007-2172-2 . ISBN 978-9-4007-2171-5. S2CID  92951134 .
  • Умный Г.Х., Шионоя М. (2012). «Глава 10. Альтернативное спаривание оснований ДНК через координацию металлов». Взаимодействие между ионами металлов и нуклеиновыми кислотами . Ионы металлов в науках о жизни. 10 . С. 269–294. DOI : 10.1007 / 978-94-007-2172-2_10 . ISBN 978-94-007-2171-5. PMID  22210343 .
  • Меггер Д.А., Меггер Н., Мюллер Дж. (2012). «Глава 11. Металл-опосредованные пары оснований в нуклеиновых кислотах с пурином и пиримидин-производными нуклеозидами». Взаимодействие между ионами металлов и нуклеиновыми кислотами . Ионы металлов в науках о жизни. 10 . С. 295–317. DOI : 10.1007 / 978-94-007-2172-2_11 . ISBN 978-94-007-2171-5. PMID  22210344 .

Внешние ссылки [ править ]

  • DAN - веб-версия программы EMBOSS для расчета температур плавления.