Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Неканоническое спаривание оснований происходит, когда водородные связи азотистых оснований или пары оснований друг с другом в схемах, отличных от стандартных пар оснований Уотсона-Крика (которые представляют собой аденин (A) - тимин (T) в ДНК , аденин (A) - - урацил (U) в РНК и гуанин (G) - цитозин (C) как в ДНК, так и в РНК). Существует три основных типа неканонических пар оснований: те, которые стабилизируются полярными водородными связями , те, которые взаимодействуют между группами C-H и O / N, и те, которые имеют водородные связи между самими основаниями. [1]Первыми обнаруженными неканоническими парами оснований являются пары оснований Хугстина , которые впервые были описаны американским биохимиком Карстом Хугстином .

Неканонические пары оснований обычно встречаются во вторичной структуре РНК (например, спаривание G с U) и при распознавании тРНК . Обычно они менее стабильны, чем стандартные пары оснований. [2] Наличие неканонических пар оснований в двухцепочечной ДНК приводит к разрыву двойной спирали . [3]

История [ править ]

Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали двойную спиральную структуру ДНК и предложили канонические пары оснований Уотсона-Крика в 1953 году. [4] Десять лет спустя, в 1963 году, Карст Хугстин сообщил, что он использовал дифракцию рентгеновских лучей на монокристалле для исследования альтернативных вариантов. структуры пары оснований, и он нашел альтернативную структуру для пары аденин-тимин нуклеобаз, в которой пурин (A) принимает альтернативную конформацию по отношению к пиримидину (T). [5] Через пять лет после того, как Хугстин предложил основную пару А.Т. Хугстина , оптическая вращательная дисперсиясообщалось о спектрах, которые предоставили доказательства наличия пары оснований GC Hoogsteen. [6] Пара оснований GC Hoogsteen была впервые обнаружена с помощью рентгеновской кристаллографии несколько лет спустя, в 1986 году, путем совместной кристаллизации ДНК с триостином А ( антибиотиком ). [7] В конечном итоге, после многих лет изучения пар оснований Уотсона-Крика и Хугстина, было установлено, что оба они встречаются в природе в ДНК и существуют в равновесии друг с другом; условия, в которых существует ДНК, в конечном итоге определяют, какая форма будет предпочтительнее. [8] С тех пор, как были определены структуры канонических пар оснований Уотсона-Крика и неканонических пар оснований Хугстина, были представлены и описаны многие другие типы неканонических пар оснований.

Структура [ править ]

Базовая пара [ править ]

Рисунок 2: Край спаривания оснований азотистых оснований. Верхний рисунок представляет собой пример пурина (аденина), края которого известны как Watson-Crick, Hoogsteen и Sugar Edges. На нижнем рисунке показан пример пиримидина (цитозина) с границами Ватсона-Крика, CH и сахарными краями.

По оценкам, 60% оснований в структурированной РНК участвуют в канонических парах оснований Уотсона-Крика. [9] Спаривание оснований происходит, когда два основания образуют водородные связи друг с другом. Эти водородные связи могут быть полярными или неполярными взаимодействиями. Полярные водородные связи образуются взаимодействиями NH ... O / N и / или OH ... O / N. Между CH ... O / N образуются неполярные водородные связи. [10]

Edge взаимодействия [ править ]

У каждой базы есть три потенциальных края, где она может взаимодействовать с другой базой. Основания пурина имеют 3 края, которые могут образовывать водородные связи. Они известны как край Уотсона-Крика (WC), край Хугстина (H) и край Сахара (S). Пиримидиновые основания также имеют три края водородных связей. [9] Как и у пиримидина, есть ребро Уотсона-Крика (WC) и ребро Сахара (S), но третье ребро называется ребром «CH» (H). Это ребро CH иногда также называют ребром Хугстина для простоты. На рисунке 2 показаны различные грани пуринового и пиримидинового оснований. [10]

Рисунок 3: Цис- и транс-ориентации гликозидной связи в парах оснований РНК.

[10]

Помимо трех краев взаимодействия пары оснований также различаются в различных цис / транс-формах. Цис- и транс-структуры зависят от ориентации рибозного сахара по сравнению с взаимодействием водородных связей. Эти различные ориентации показаны на рисунке 3. С цис / транс-формами и 3 краями водородных связей существует 12 основных типов геометрии спаривания оснований, которые можно найти в структурах РНК. Эти 12 типов WC: WC (цис / транс), W: HC (цис / транс), WC: S (цис / транс), H: S (цис / транс), H: H (цис / транс) и S: S (цис / транс).

Классификация [ править ]

Эти 12 типов могут быть далее разделены на большее количество подгрупп, которые зависят от направленности гликозидных связей и стерических удлинений. [11] При всех различных комбинациях пар оснований существует 169 теоретически возможных комбинаций пар оснований. Однако количество фактических комбинаций пар оснований намного меньше, поскольку некоторые из комбинаций приводят к неблагоприятным взаимодействиям. Это количество возможных неканонических пар оснований все еще определяется, поскольку оно очень зависит от критериев спаривания оснований. [12] Понимание конфигурации пары оснований затруднено, поскольку спаривание очень зависит от окружения баз. Это окружение состоит из соседних пар оснований, соседних петель или третьего взаимодействия, такого как тройка оснований. [13]

Рисунок 4: 6 параметров твердого тела

Поскольку различные основания являются жесткими и плоскими, связь между ними четко определена. Пространственные взаимодействия между двумя основаниями можно классифицировать по 6 параметрам твердого тела или параметрам пары оснований (3 поступательных, 3 вращательных), как показано на рисунке 4. [14] Эти параметры описывают трехмерное подтверждение пар оснований. Три способа перемещения известны как сдвиг, растяжение и колебание. Эти три параметра напрямую связаны с близостью и направлением парных водородных связей. Вращательные механизмы - пряжка, пропеллер и открывание. Вращательные устройства относятся к неплоскому подтверждению по сравнению с идеальной компланарной геометрией. [10]Параметры пары оснований используются для определения структуры и стабильности неканонических пар оснований. Эти параметры были изначально созданы для пар оснований в ДНК, но также могут соответствовать неканоническим базовым моделям. [14]

Типы [ править ]

Наиболее распространенными неканоническими парами оснований являются пары транс A: G Hoogsteen / сахарный край, A: U Hoogsteen / WC и G: U Wobble . [15]

Пары оснований Хугстина [ править ]

Рисунок 5: Пример неканонической пары оснований. Показана пара оснований Hoogsteen AU.

Пары оснований Хугстина встречаются между аденином (А) и тимином (Т), а также гуанином (G) и цитозином (С), подобно парам оснований Уотсона-Крика; однако пурин принимает альтернативную конформацию по сравнению с пиримидином. В паре оснований AU Hoogsteen аденин повернут на 180 ° относительно гликозидной связи , что приводит к альтернативной схеме водородных связей, которая имеет одну водородную связь, общую с парой оснований Уотсона-Крика (аденин N6 и тимин N4), в то время как другая , вместо того, чтобы встречаться между аденином N1 и тимином N3, как в паре оснований Уотсона-Крика, происходит между аденином N7 и тимином N3. [8]Пара оснований AU показана на фиг. 5. В паре оснований GC Watson-Crick, как и в паре оснований AT Hoogsteen, пурин (гуанин) повернут на 180 ° вокруг гликозидной связи, в то время как пиримидин (цитозин) остается на месте. Одна водородная связь из пары оснований Watson-Crick сохраняется (гуанин O6 и цитозин N4), а другая возникает между гуанином N7 и протонированным цитозином N3 (обратите внимание, что пара оснований Hoogsteen GC имеет две водородные связи, в то время как GC Watson-Crick базовая пара состоит из трех). [8]

Рисунок 6: Четыре примера пар оснований колебания.

Базовые пары колебания [ править ]

Колебание пар оснований происходит между двумя нуклеотидами, которые не являются парами оснований Уотсона-Крика. Четыре основных примера - гуанин-урацил (GU), гипоксантин-урацил (IU), гипоксантин-аденин (IA) и гипоксантин-цитозин (IC). Эти пары оснований колебания очень важны в тРНК. Большинство организмов имеет менее 45 молекул тРНК, но 61 молекула тРНК необходима для канонического спаривания с кодоном. Колебание пар оснований было предложено Уотсоном в 1966 году. Колебательное спаривание оснований позволяет использовать 5'-антикодон с нестандартной парой оснований. Примеры пар оснований колебания приведены на рисунке 6.

Трехмерная структура [ править ]

Вторичные и трехмерные структуры РНК образуются и стабилизируются с помощью неканонических пар оснований. Пары оснований образуют множество вторичных структурных блоков, которые помогают складывать комплексы РНК и трехмерные структуры. Общая свернутая РНК стабилизируется за счет канонического спаривания третичных и вторичных структур вместе. [10] Из-за множества неканонических пар оснований существует неограниченное количество структур, которые позволяют выполнять разнообразные функции РНК. [9] Расположение неканонических оснований позволяет осуществлять дальнодействующие взаимодействия РНК, распознавание белков и других молекул, а также структурных стабилизирующих элементов. [14] Многие из распространенных неканонических пар оснований могут быть добавлены к уложенной стопке РНК, не нарушая ее спирального характера. [1]

Вторичный [ править ]

Рисунок 7: На нем изображена шпилечная структура, обнаруженная в пре-м-РНК.

Основные вторичные структурные элементы РНК включают выпуклости, двойные спирали, шпильки и внутренние петли. Пример шпилечной петли РНК приведен на рисунке 7. Как показано на рисунке шпилька-петля и внутренние петли требуют внезапного изменения направления позвоночника. Неканоническая пара оснований позволяет повысить гибкость соединений или поворотов вторичной структуры. [10]

Высшее [ править ]

Рисунок 8: Пример трехмерной структуры Псевдоузла.

Трехмерные структуры образуются за счет дальнодействующих внутримолекулярных взаимодействий между вторичными структурами. Это приводит к образованию псевдоузлов, рибозных застежек-молний, ​​целующихся петель шпильки или коаксиальных псевдопрерывных спиралей. [10] Трехмерные структуры РНК в первую очередь определяются с помощью молекулярного моделирования или компьютерных измерений. [14] Пример псевдоузла приведен на рисунке 8.

Экспериментальные методы [ править ]

Каноническое спаривание оснований Уотсона-Крика - не единственная конформация от края до края, возможная для нуклеотида, поскольку также может иметь место неканоническое спаривание. Сахарно-фосфатный остов имеет ионный характер, что делает основания чувствительными к окружающей их среде, что приводит к конформационным изменениям, таким как неканоническое спаривание. [16] [1] Существуют различные методы прогнозирования этих конформаций, такие как определение структуры ЯМР и рентгеновская кристаллография . [16]

Приложения [ править ]

РНК имеет множество целей в клетке, включая многие важные этапы экспрессии генов . Различные конформации пар оснований, отличных от Watson-Crick, позволяют выполнять множество биологических функций, таких как сплайсинг мРНК , siRNA , транспорт, распознавание белков, связывание с белками и трансляция . [17] [18]

Один из примеров биологического применения неканонических пар оснований в повороте кинка. Изгиб-поворот встречается у многих функциональных видов РНК. Он состоит из трехнуклеотидного остатка, который образован тремя парами оснований Хугстина. Этот изгиб действует как маркер, по которому могут связываться различные белки, такие как белок 15-5k человека или белки семейства L7Ae. [19] Аналогичный сценарий описан в связывании РНК элемента Rev-response element (RRE) ВИЧ-1. РНК имеет очень широкую глубокую бороздку, которая образована цис-парой Ватсона-Крика G: пара, за которой следует транс-Ватсон-Крик G: G. Тогда элемент Rev-response HIV-1 может связываться благодаря углубленной бороздке. [1]

См. Также [ править ]

  • Базовая пара Hoogsteen
  • Базовая пара колебаний

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Герман Т., Вестхоф Э. (декабрь 1999 г.). «Не-Ватсон-Криковские пары оснований в распознавании РНК-белков» (PDF) . Химия и биология . 6 (12): R335-43. DOI : 10.1016 / s1074-5521 (00) 80003-4 . PMID  10631510 .
  2. ↑ Lemieux S, Major F (октябрь 2002 г.). «Канонические и неканонические типы спаривания оснований РНК: метод распознавания и полный репертуар» . Исследования нуклеиновых кислот . 30 (19): 4250–63. DOI : 10.1093 / NAR / gkf540 . PMC 140540 . PMID 12364604 .  
  3. Перейти ↑ Das J, Mukherjee S, Mitra A, Bhattacharyya D (октябрь 2006 г.). «Неканонические пары оснований и структуры более высокого порядка в нуклеиновых кислотах: анализ базы данных кристаллических структур». Журнал биомолекулярной структуры и динамики . 24 (2): 149–61. DOI : 10.1080 / 07391102.2006.10507108 . PMID 16928138 . 
  4. ^ Ватсон JD Крик FH (апрель 1953). «Молекулярная структура нуклеиновых кислот; структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы». Природа . 171 (4356): 737–8. Bibcode : 1953Natur.171..737W . DOI : 10.1038 / 171737a0 . PMID 13054692 . 
  5. ^ Хугстена K (1963-09-10). «Кристаллическая и молекулярная структура комплекса с водородной связью между 1-метилтимином и 9-метиладенином» . Acta Crystallographica . 16 (9): 907–916. DOI : 10.1107 / S0365110X63002437 . ISSN 0365-110X . 
  6. ^ Куртуа Y, Fromageot P, Guschlbauer W (декабрь 1968). «Протонированные полинуклеотидные структуры. 3. Оптическое вращательное дисперсионное исследование протонирования ДНК» . Европейский журнал биохимии . 6 (4): 493–501. DOI : 10.1111 / j.1432-1033.1968.tb00472.x . PMID 5701966 . 
  7. ^ Куигли GJ, Ughetto G, ван дер Marel Г.А., ван Boom JH, Wang AH, Rich A (июнь 1986). «Не-Watson-Crick GC и пары оснований AT в комплексе ДНК-антибиотик». Наука . 232 (4755): 1255–8. DOI : 10.1126 / science.3704650 . PMID 3704650 . 
  8. ^ a b c Николова Е.Н., Чжоу Х., Готтардо Флорида, Алви Х.С., Кимси И.Дж., Аль-Хашими Х.М. (декабрь 2013 г.). "Исторический счет пар оснований Хугстина в дуплексной ДНК" . Биополимеры . 99 (12): 955–68. DOI : 10.1002 / bip.22334 . PMC 3844552 . PMID 23818176 .  
  9. ^ a b c Леонтис Н.Б., Вестхоф Э. (апрель 2001 г.). «Геометрическая номенклатура и классификация пар оснований РНК» . РНК . 7 (4): 499–512. DOI : 10.1017 / S1355838201002515 . PMC 1370104 . PMID 11345429 .  
  10. ^ Б с д е е г Halder S, Бхаттачариа D (ноябрь 2013). «Структура и динамика РНК: перспектива спаривания оснований». Прогресс в биофизике и молекулярной биологии . 113 (2): 264–83. DOI : 10.1016 / j.pbiomolbio.2013.07.003 . PMID 23891726 . 
  11. ^ Шпонер JE, Лещинский Дж, Sychrovský В, Шпонер J (октябрь 2005 г.). «Пары оснований края сахара / края сахара в РНК: стабильность и структуры из квантово-химических расчетов». Журнал физической химии B . 109 (39): 18680–9. DOI : 10.1021 / jp053379q . PMID 16853403 . 
  12. ^ Шарма Р, Шпонер JE, Шпонер J, S Шарма, Бхаттачариа D, Митра А (март 2010 г.). «О роли цис-Хугстина: семейство пар оснований с сахарным краем в платформах и триплетах - квантово-химические открытия в структурной биологии РНК». Журнал физической химии B . 114 (9): 3307–20. DOI : 10.1021 / jp910226e . PMID 20163171 . 
  13. ^ Heus HA, Hilbers CW (октябрь 2003). «Структуры неканонических тандемных пар оснований в спиралях РНК: обзор». Нуклеозиды, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты . 22 (5–8): 559–71. DOI : 10.1081 / НЦА-120021955 . PMID 14565230 . 
  14. ^ a b c d Олсон В.К., Ли С., Кауконен Т., Коласанти А.В., Синь И, Лу XJ (май 2019 г.). «Влияние неканонической пары оснований на сворачивание РНК: структурный контекст и пространственное расположение пар G · A» . Биохимия . 58 (20): 2474–2487. DOI : 10.1021 / acs.biochem.9b00122 . PMC 6729125 . PMID 31008589 .  
  15. ^ Roy A, Паниграхи S, M Бхаттачариа, Бхаттачариа D (март 2008). «Структура, стабильность и динамика канонических и неканонических пар оснований: квантово-химические исследования». Журнал физической химии B . 112 (12): 3786–96. DOI : 10.1021 / jp076921e . PMID 18318519 . 
  16. ^ а б Лу XJ, Олсон В.К. (сентябрь 2003 г.). «3DNA: программный пакет для анализа, восстановления и визуализации трехмерных структур нуклеиновых кислот» . Исследования нуклеиновых кислот . 31 (17): 5108–21. DOI : 10.1093 / NAR / gkg680 . PMC 212791 . PMID 12930962 .  
  17. ^ Фернандиш CL, Escouto ГБ, Verli Н (2013-06-28). «Структурная гликобиология гепариназы II из Pedobacter heparinus». Журнал биомолекулярной структуры и динамики . 32 (7): 1092–102. DOI : 10.1080 / 07391102.2013.809604 . PMID 23808670 . 
  18. ^ Storz G, Altuvia S, Wassarman KM (2005-06-01). «Обилие регуляторов РНК». Ежегодный обзор биохимии . 74 (1): 199–217. DOI : 10.1146 / annurev.biochem.74.082803.133136 . PMID 15952886 . 
  19. Перейти ↑ Huang L, Lilley DM (январь 2018). «Излом в структурной биологии РНК». Ежеквартальные обзоры биофизики . 51 : e5. DOI : 10.1017 / S0033583518000033 . PMID 30912490 .