Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья относится к молекулярной биологии . Для использования в других целях см. Дополнительность (значения) .
Для получения информации о тестах дополнения и дополнения, используемых в генетических исследованиях, см. Дополнение (генетика) .
Совместите два основания ДНК (гуанин и цитозин), показывая водородные связи (пунктирные линии), удерживающие их вместе
Совместите две основы ДНК (аденин и тимин), показывая водородные связи (пунктирные линии), удерживающие их вместе

В молекулярной биологии , комплементарность описывает взаимосвязь между двумя структурами каждого следующих принципом блокировки и-ключом. В природе комплементарность является основным принципом репликации и транскрипции ДНК, поскольку это свойство, разделяемое между двумя последовательностями ДНК или РНК , так что, когда они выровнены антипараллельно друг другу, нуклеотидные основания в каждом положении в последовательностях будут комплементарными , в значительной степени как смотреть в зеркало и видеть обратное. Эта комплементарная пара оснований позволяет клеткам копировать информацию от одного поколения к другому и даже находить и устранять повреждения. к информации, хранящейся в последовательностях.

Степень комплементарности между двумя цепями нуклеиновых кислот может варьироваться от полной комплементарности (каждый нуклеотид находится напротив своей противоположности) до отсутствия комплементарности (каждый нуклеотид не находится напротив своей противоположности) и определяет стабильность последовательностей, которые должны быть вместе. Кроме того, различные функции репарации ДНК, а также регуляторные функции основаны на комплементарности пар оснований. В биотехнологии принцип комплементарности пар оснований позволяет генерировать гибриды ДНК между РНК и ДНК и открывает двери для современных инструментов, таких как библиотеки кДНК . Хотя наибольшая комплементарность наблюдается между двумя отдельными цепочками ДНК или РНК, также возможно, что последовательность имеет внутреннюю комплементарность, в результате чего последовательностьпривязка к себе в сложенном виде.

Комплементарность пар оснований ДНК и РНК [ править ]

Комплементарность между двумя антипараллельными цепями ДНК. Верхняя прядь идет слева направо, а нижняя прядь идет справа налево, выравнивая их.
Слева: в нуклеотидных пар оснований , которые могут образовывать в двухцепочечной ДНК . Между A и T есть две водородные связи, а между C и G - три. Справа: две комплементарные цепи ДНК.

Комплементарность достигается за счет различных взаимодействий между азотистыми основаниями : аденином , тимином ( урацил в РНК ), гуанином и цитозином . Аденин и гуанин - пурины , а тимин, цитозин и урацил - пиримидины . Пурины крупнее пиримидинов. Оба типа молекул дополняют друг друга и могут образовывать пары оснований только с противоположным типом азотистых оснований. В нуклеиновой кислоте нуклеиновые основания удерживаются вместе за счет водородных связей., который эффективно работает только между аденином и тимином и между гуанином и цитозином. Комплемент оснований A = T имеет две водородные связи, а пара оснований G≡C имеет три водородные связи. Все другие конфигурации между азотистыми основаниями препятствовали бы образованию двойной спирали. Нити ДНК ориентированы в противоположных направлениях, они считаются антипараллельными . [1]

Нуклеиновая кислотаНуклеооснованияБазовая комплектация
ДНКаденин (A), тимин (T), гуанин (G), цитозин (C)А = Т, G≡C
РНКаденин (A), урацил (U), гуанин (G), цитозин (C)А = U, G≡C

Комплементарная цепь ДНК или РНК может быть сконструирована на основе комплементарности азотистых оснований. [2] Каждая пара оснований, A = T по сравнению с G≡C, занимает примерно одинаковое пространство, что позволяет формировать скрученную двойную спираль ДНК без каких-либо пространственных искажений. Водородная связь между азотистыми основаниями также стабилизирует двойную спираль ДНК. [3]

Комплементарность цепей ДНК в двойной спирали позволяет использовать одну цепочку в качестве матрицы для построения другой. Этот принцип играет важную роль в репликации ДНК , закладывая основы наследственности , объясняя, как генетическая информация может быть передана следующему поколению. Комплементарность также используется в транскрипции ДНК , которая генерирует цепь РНК из матрицы ДНК. [4] Кроме того, вирус иммунодефицита человека , вирус с одноцепочечной РНК , кодирует РНК-зависимую ДНК-полимеразу ( обратную транскриптазу ), которая использует комплементарность для катализа репликации генома. Обратная транскриптаза может переключаться между двумя родительскими РНК.геномы путем рекомбинации с выбором копии во время репликации. [5]

Механизмы репарации ДНК, такие как контрольное считывание , основаны на комплементарности и позволяют исправлять ошибки во время репликации ДНК путем удаления несовпадающих нуклеиновых оснований. [1] В целом, повреждение в одной нити ДНК , может быть устранено путем удалением поврежденного участка и его замены с использованием комплементарности , чтобы скопировать информацию из другой цепи, как это имеет место в процессах ремонта рассогласования , нуклеотидной эксцизионной репарацию и базового иссечение ремонт . [6]

Нити нуклеиновых кислот могут также образовывать гибриды, в которых одноцепочечная ДНК может легко отжигаться с комплементарной ДНК или РНК. Этот принцип лежит в основе широко используемых лабораторных методов, таких как полимеразная цепная реакция , ПЦР. [1]

Две цепи комплементарной последовательности называются смысловой и антисмысловой . Смысловая цепь, как правило, представляет собой транскрибируемую последовательность ДНК или РНК, которая была образована при транскрипции, а антисмысловая цепь - это цепь, комплементарная смысловой последовательности.

Самодополняемость и шпильки [ править ]

Последовательность РНК, имеющая внутреннюю комплементарность, в результате чего она сворачивается в шпильку.

Само-комплементарность относится к тому факту, что последовательность ДНК или РНК может складываться сама по себе, создавая структуру, подобную двунитеевой. В зависимости от того, насколько близко друг к другу находятся части последовательности, которые дополняют друг друга, нить может образовывать петли шпильки, соединения, выпуклости или внутренние петли. [1] РНК с большей вероятностью будет образовывать такие структуры из-за связывания пар оснований, не наблюдаемого в ДНК, например связывания гуанина с урацилом. [1]

Последовательность РНК, показывающая шпильки (крайний правый и крайний верхний левый) и внутренние петли (нижняя левая структура)

Регулирующие функции [ править ]

Комплементарность может быть обнаружена между короткими участками нуклеиновой кислоты и кодирующей областью или транскрибируемым геном и приводит к спариванию оснований. Эти короткие последовательности нуклеиновых кислот обычно встречаются в природе и выполняют регуляторные функции, такие как подавление генов. [1]

Антисмысловые расшифровки [ править ]

Антисмысловые транскрипты представляют собой участки некодирующей мРНК, комплементарные кодирующей последовательности. [7] Полногеномные исследования показали, что антисмысловые транскрипты РНК обычно встречаются в природе. Обычно считается, что они увеличивают кодирующий потенциал генетического кода и добавляют общий уровень сложности к регуляции генов. На данный момент известно, что 40% генома человека транскрибируется в обоих направлениях, что подчеркивает потенциальное значение обратной транскрипции. [8] Было высказано предположение, что комплементарные области между смысловыми и антисмысловыми транскриптами позволят генерировать гибриды двухцепочечной РНК, которые могут играть важную роль в регуляции генов. Например, мРНК фактора 1α, индуцированного гипоксией, имРНК β-секретазы транскрибируются двунаправленно, и было показано, что антисмысловой транскрипт действует как стабилизатор смыслового сценария. [9]

миРНК и миРНК [ править ]

Формирование и функция miRNA в клетке

miRNA , microRNA, представляют собой короткие последовательности РНК, которые комплементарны участкам транскрибируемого гена и выполняют регуляторные функции. Текущие исследования показывают, что циркулирующая миРНК может использоваться в качестве новых биомаркеров, следовательно, есть многообещающие доказательства для использования в диагностике заболеваний. [10] MiRNA образуются из более длинных последовательностей РНК, которые отделяются ферментом Dicer от последовательности РНК, которая происходит от гена-регулятора. Эти короткие нити связываются с комплексом RISC.. Они совпадают с последовательностями в вышестоящей области транскрибируемого гена благодаря своей комплементарности, чтобы действовать как глушитель для гена тремя способами. Один из них заключается в предотвращении связывания рибосомы и инициации трансляции. Два - путем разрушения мРНК, с которой связан комплекс. И третья - предоставление новой последовательности двухцепочечной РНК (дцРНК), на которую Дайсер может воздействовать, чтобы создать больше миРНК для поиска и разрушения большего количества копий гена. Малые интерферирующие РНК (миРНК) аналогичны функциям миРНК; они происходят из других источников РНК, но служат той же цели, что и miRNA. [1]Учитывая их небольшую длину, правила взаимодополняемости означают, что они все еще могут быть очень разборчивыми в своих целях выбора. Учитывая, что есть четыре варианта для каждого основания в цепи и длина 20-22 п.н. для mi / siRNA, это приводит к более чем1 × 10 12 возможных комбинаций . Учитывая, что геном человека составляет ~ 3,1 миллиарда оснований в длину, [11] это означает, что каждая миРНК должна случайно найти совпадение во всем геноме человека только один раз.

Целующиеся шпильки [ править ]

Шпильки для поцелуев образуются, когда одна нить нуклеиновой кислоты дополняет сама себя, создавая петли РНК в форме шпильки. [12] Когда две шпильки соприкасаются друг с другом in vivo , комплементарные основания двух нитей образуются и начинают раскручивать шпильки до тех пор, пока не образуется комплекс двухцепочечной РНК (дцРНК) или комплекс не разматывается обратно на два отдельных пряди из-за несовпадения шпилек. Вторичная структура шпильки до поцелуя позволяет получить стабильную структуру с относительно фиксированным изменением энергии. [13]Целью этих структур является баланс между стабильностью петли шпильки и силой связывания с комплементарной цепью. Слишком сильная начальная привязка к плохому месту и пряди не размотаются достаточно быстро; слишком слабое начальное связывание, и нити никогда не будут полностью образовывать желаемый комплекс. Эти шпильки позволяют обнажить достаточно оснований, чтобы обеспечить достаточно сильную проверку начального связывания, и достаточно слабое внутреннее связывание, чтобы позволить разворачиваться, как только будет найдено подходящее совпадение. [13]

--- C G --- CG --- C G --- UACG  GCUA CGGC AGCG AAAG CUAA U CUU --- CCUGCAACUUAGGCAGG --- A GAA --- GGACGUUGAAUCCGUCC --- ГАУУ UUUC UCGC GCCG CGAU AUGC GC --- G C ------ G C ---Заколки для поцелуев сходятся наверху петель. Взаимодополняемостьдвух головок заставляет шпильку разворачиваться и выпрямляться, чтобыпревратились в одну плоскую последовательность из двух прядей, а не из двух шпилек.

Биоинформатика [ править ]

Комплементарность позволяет хранить информацию, содержащуюся в ДНК или РНК, в одной цепи. Комплементарная цепь может быть определена из матрицы и наоборот, как в библиотеках кДНК. Это также позволяет проводить анализ, например сравнивать последовательности двух разных видов. Сокращения были разработаны для записи последовательностей при наличии несовпадений (коды неоднозначности) или для ускорения чтения противоположной последовательности в дополнении (амбиграммы).

Библиотека кДНК [ править ]

Библиотека кДНКа представляет собой совокупность экспрессируемых генов ДНК, которые рассматриваются в качестве полезного справочного инструмента в процессах идентификации генов и клонирования. Библиотеки кДНК конструируются из мРНК с использованием обратной транскриптазы (ОТ) РНК-зависимой ДНК-полимеразы, которая транскрибирует матрицу мРНК в ДНК. Следовательно, библиотека кДНК может содержать только вставки, которые предназначены для транскрибирования в мРНК. Этот процесс основан на принципе комплементарности ДНК / РНК. Конечный продукт библиотек представляет собой двухцепочечную ДНК, которая может быть вставлена ​​в плазмиды. Следовательно, библиотеки кДНК - мощный инструмент в современных исследованиях. [1] [14]

Коды неоднозначности [ править ]

При написании последовательностей для систематической биологии может потребоваться код ИЮПАК , означающий «любой из двух» или «любой из трех». Код IUPAC R (любой пурин ) комплементарен Y (любому пиримидину ), а M (амино) - K (кето). W (слабый) и S (сильный) обычно не меняются местами [15], но в прошлом их меняли местами некоторые инструменты. [16] W и S обозначают «слабый» и «сильный», соответственно, и указывают количество водородных связей, которые нуклеотид использует для образования пары со своим комплементарным партнером. Партнер использует такое же количество связей, чтобы создать дополнительную пару. [17]

Код IUPAC, который специально исключает один из трех нуклеотидов, может быть комплементарным коду IUPAC, исключающему комплементарный нуклеотид. Например, V (A, C или G - «не T») может быть дополнительным к B (C, G или T - «не A»).

Символ [18]ОписаниеПредставленные базы
АДенинА1
Cс ytosineC
граммг уанинграмм
Тт hymineТ
Uу racilU
Wж ЕАКАТ2
Ss ЧонгCграмм
Mм иныхАC
Kk etoграммТ
рпу г инеАграмм
Yп у римидинCТ
Bне A ( B идет после A)CграммТ3
Dне C ( D идет после C)АграммТ
ЧАСне G ( H идет после G)АCТ
Vне T ( V идет после T и U)АCграмм
N или -п у основания (не пробел)АCграммТ4

Амбиграммы [ править ]

Конкретные символы могут использоваться для создания подходящей ( амбиграфической ) нотации нуклеиновых кислот для комплементарных оснований (например, гуанин = b , цитозин = q , аденин = n и тимин = u ), что позволяет дополнить целые последовательности ДНК простым поворот текста «вверх ногами». [19] Например, с предыдущим алфавитом, buqn (GTCA) будет читаться как ubnq (TGAC, обратное дополнение), если перевернуть его вверх ногами.

qqubqnnquunbbqnbb
bbnqbuubnnuqqbuqq

Амбиграфические обозначения легко визуализируют комплементарные участки нуклеиновых кислот, такие как палиндромные последовательности. [20] Эта функция улучшается при использовании пользовательских шрифтов или символов, а не обычных символов ASCII или даже Unicode. [20]

См. Также [ править ]

  • Базовая пара

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h Уотсон, Джеймс, Лаборатория Колд-Спринг-Харбор, Таня А. Бейкер, Массачусетский технологический институт, Стивен П. Белл, Массачусетский технологический институт, Александр Ганн, Лаборатория Колд-Спринг-Харбор, Майкл Левин, Университет Калифорнии, Беркли, Ричард Лосик, Гарвардский университет; со Стивеном К. Харрисоном, Harvard Medical (2014). Молекулярная биология гена (Седьмое изд.). Бостон: Издательство Бенджамин-Каммингс. ISBN 978-0-32176243-6.
  2. ^ Молитесь, Лесли (2008). «Открытие структуры и функции ДНК: Уотсон и Крик» . Природное образование . 1 (1): 100 . Проверено 27 ноября 2013 года .
  3. ^ Шанкар, А; Джагота, А; Миттал, Дж. (11 октября 2012 г.). «Димеры оснований ДНК стабилизируются за счет водородных связей, включая образование пар, не связанных с Ватсоном-Криком, вблизи графитовых поверхностей». Журнал физической химии B . 116 (40): 12088–94. DOI : 10.1021 / jp304260t . PMID 22967176 . 
  4. ^ Капюшон, L; Галас, Д. (23 января 2003 г.). «Цифровой код ДНК» . Природа . 421 (6921): 444–8. Bibcode : 2003Natur.421..444H . DOI : 10,1038 / природа01410 . PMID 12540920 . 
  5. ^ Rawson СМЭ, Nikolaitchik О.А., Кил Б.Ф., Pathak В.К., Ху WS. Рекомбинация необходима для эффективной репликации ВИЧ-1 и поддержания целостности вирусного генома. Nucleic Acids Res. 2018; 46 (20): 10535-10545. DOI: 10.1093 / nar / gky910 PMID: 30307534
  6. ^ Fleck O, Nielsen O. Ремонт ДНК. J Cell Sci. 2004; 117 (Pt 4): 515-517. DOI: 10.1242 / jcs.00952
  7. ^ Он, Y; Фогельштейн, Б; Велкулеску, В.Е .; Пападопулос, N; Kinzler, KW (19 декабря 2008 г.). «Антисмысловые транскриптомы клеток человека» . Наука . 322 (5909): 1855–7. Bibcode : 2008Sci ... 322.1855H . DOI : 10.1126 / science.1163853 . PMC 2824178 . PMID 19056939 .  
  8. ^ Катаяма, S; Томару, Y; Kasukawa, T; Ваки, К; Наканиши, М; Накамура, М; Нисида, H; Яп, СС; Сузуки, М; Каваи, Дж; Сузуки, H; Carninci, P; Хаяшизаки, Y; Уэллс, С; Фрит, М; Раваси, Т; Pang, KC; Халлинан, Дж; Мэттик, Дж; Хьюм, Д.А.; Липович, Л; Баталов, С; Engström, PG; Mizuno, Y; Фагихи, Массачусетс; Санделин, А; Мел, AM; Моттагуи-Табар, S; Лян, З; Ленхард, Б; Wahlestedt, C; RIKEN Genome Exploration Research Group; Genome Science Group (основная группа проекта сети генома); Консорциум FANTOM (2 сентября 2005 г.). «Антисмысловая транскрипция в транскриптоме млекопитающих». Наука . 309 (5740): 1564–6. Bibcode : 2005Sci ... 309.1564R . DOI : 10.1126 / science.1112009 . PMID 16141073 . S2CID  34559885 .
  9. ^ Фагихи, Массачусетс; Чжан, М; Хуанг, Дж; Modarresi, F; Ван дер Бруг, член парламента; Nalls, MA; Куксон, MR; Сен-Лоран G, 3-й; Wahlestedt, C (2010). «Доказательства опосредованного естественным антисмысловым транскриптом ингибирования функции микроРНК» . Геномная биология . 11 (5): R56. DOI : 10.1186 / ГБ-2010-11-5-r56 . PMC 2898074 . PMID 20507594 .  
  10. ^ Косака, N; Йошиока, Y; Hagiwara, K; Томинага, N; Кацуда, Т; Очия, Т. (5 сентября, 2013). «Мусор или сокровище: внеклеточные микроРНК и межклеточная коммуникация» . Границы генетики . 4 : 173. DOI : 10,3389 / fgene.2013.00173 . PMC 3763217 . PMID 24046777 .  
  11. ^ «Ensembl genome browser 73: Homo sapiens - Assembly and Genebuild» . Ensembl.org . Проверено 27 ноября 2013 года .
  12. ^ Марино, JP; Григорианский RS, младший; Csankovszki, G; Crothers, DM (9 июня 1995 г.). «Образование изогнутой спирали между шпильками РНК с дополнительными петлями». Наука . 268 (5216): 1448–54. Bibcode : 1995Sci ... 268.1448M . DOI : 10.1126 / science.7539549 . PMID 7539549 . 
  13. ^ а б Чанг, Кентукки; Тиноко I младший (30 мая 1997 г.). «Структура РНК,« целующей »шпильочный комплекс шпильочной петли ВИЧ TAR и ее комплемент». Журнал молекулярной биологии . 269 (1): 52–66. DOI : 10.1006 / jmbi.1997.1021 . PMID 9193000 . 
  14. ^ Ван, KH; Yu, C; Джордж, РА; Карлсон, JW; Хоскинс, РА; Свирскас, Р; Стэплтон, М; Сельникер, С.Е. (2006). «Высокопроизводительный скрининг библиотеки кДНК плазмид» . Протоколы природы . 1 (2): 624–32. DOI : 10.1038 / nprot.2006.90 . PMID 17406289 . S2CID 205463694 .  
  15. ^ Иеремия Вера (2011) , таблица преобразования
  16. ^ arep.med.harvard.edu Страница инструмента с примечанием о примененном патче преобразования WS.
  17. ^ Страница инструмента обратного дополнения с документированным преобразованием кода IUPAC, доступен исходный код.
  18. ^ Номенклатурный комитет Международного союза биохимиков (NC-IUB) (1984). «Номенклатура не полностью определенных оснований в последовательностях нуклеиновых кислот» . Проверено 4 февраля 2008 .
  19. ^ Rozak DA (2006). «Практические и педагогические преимущества амбиграфической записи нуклеиновых кислот». Нуклеозиды Нуклеотиды Нуклеиновые кислоты . 25 (7): 807–13. DOI : 10.1080 / 15257770600726109 . PMID 16898419 . S2CID 23600737 .  
  20. ^ а б Розак ​​Д.А.; Розак, AJ (май 2008 г.). «Простота, функция и удобочитаемость в улучшенной амбиграфической нотации нуклеиновых кислот» . Биотехнологии . 44 (6): 811–3. DOI : 10.2144 / 000112727 . PMID 18476835 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Инструмент обратного дополнения
  • Инструмент обратного дополнения @ DNA.UTAH.EDU