Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Nucleic acid primary structureNucleic acid secondary structureNucleic acid double helixStem-loopPseudoknotNucleic acid quaternary structure
Изображение выше содержит интерактивные ссылки
Интерактивное изображение из кислотной структуры нуклеиновой (первичный, вторичный, третичный и четвертичный) с помощью спиралей ДНК и примеры из рибозима VS и теломеразы и нуклеосом . ( PDB : ADNA , 1BNA , 4OCB , 4R4V , 1YMO , 1EQZ )

Третичная структура нуклеиновой кислоты представляет собой трехмерную форму полимера нуклеиновой кислоты . [1] Молекулы РНК и ДНК могут выполнять различные функции, от молекулярного распознавания до катализа . Такие функции требуют точной трехмерной третичной структуры . Хотя такие структуры разнообразны и кажутся сложными, они состоят из повторяющихся, легко узнаваемых мотивов третичной структуры, которые служат молекулярными строительными блоками. Некоторые из наиболее распространенных мотивов РНКи третичная структура ДНК описаны ниже, но эта информация основана на ограниченном количестве решенных структур. По мере получения структурных характеристик новых молекул РНК и ДНК будет обнаружено еще много третичных структурных мотивов.

Спиральные структуры [ править ]

Структуры двойных спиралей A-, B- и Z-ДНК.

Двойная спираль [ править ]

Основная статья: двойная спираль нуклеиновой кислоты

Двойная спираль - это доминирующая третичная структура биологической ДНК, а также возможная структура для РНК. Считается, что в природе встречаются три конформации ДНК: A-ДНК , B-ДНК и Z-ДНК . Считается, что форма "B", описанная Джеймсом Д. Уотсоном и Фрэнсисом Криком , преобладает в клетках. [2] Джеймс Д. Уотсон и Фрэнсис Крик описали эту структуру как двойную спираль с радиусом 10 Å и шагом 34 Å , совершающую один полный оборот вокруг своей оси каждые 10 пар оснований последовательности. [3]Двойная спираль совершает один полный оборот вокруг своей оси через каждые 10,4–10,5 пар оснований в растворе. Эта частота скручивания (известная как шаг спирали ) в значительной степени зависит от сил складывания, которые каждое основание оказывает на своих соседей в цепи. Двухспиральная РНК принимает конформацию, аналогичную структуре А-формы.

Возможны другие конформации; фактически, теперь доступны только буквы F, Q, U, V и Y для описания любой новой структуры ДНК, которая может появиться в будущем. [4] [5] Однако большинство этих форм были созданы синтетическим путем и не наблюдались в естественных биологических системах.

РНК триплексы
Изображение крупным планом триплекса большой бороздки U114: A175-U101 (основание Хугстина), образованного внутри псевдонима дикого типа теломеразной РНК человека. Водородные связи показаны черными пунктирными линиями. Атомы «N» окрашены в синий цвет, а атомы «o» - в красный. [7]

Основные и второстепенные триплексы канавок [ править ]

Тройка малой бороздки - это повсеместный структурный мотив РНК . Поскольку взаимодействия с малой бороздкой часто опосредуются 2'-OH рибозного сахара, этот мотив РНК сильно отличается от своего ДНК- эквивалента. Наиболее распространенным примером тройной малой бороздки является мотив A-minor или вставка аденозиновых оснований в малую бороздку (см. Выше). Однако этот мотив не ограничивается аденозинами, так как другие азотистые основания также наблюдались для взаимодействия с малой бороздкой РНК.

Малая канавка представляет собой почти идеальное дополнение для вставной базы. Это обеспечивает оптимальные контакты Ван-дер-Ваальса , обширные водородные связи и захоронение гидрофобных поверхностей, а также создает высокоэнергетически выгодное взаимодействие. [8] Поскольку тройки малых бороздок способны стабильно упаковывать свободную петлю и спираль, они являются ключевыми элементами в структуре больших рибонуклеотидов , включая интрон группы I [9], интрон группы II [10] и рибосому .

Квадруплексы
Вверху: Типичная кольцевая структура парного G-квартета Хугстина. [11]
Вверху: квадруплекс в кристаллической структуре аптамера РНК малахитового зеленого. G29 участвует в образовании большой канавки, малой канавки и водородной связи Уотсона-Крика с тремя другими основаниями. [12]

Хотя большая бороздка стандартной A-формы РНК довольно узкая и поэтому менее доступна для триплексного взаимодействия, чем малая бороздка, триплексные взаимодействия большой бороздки могут наблюдаться в нескольких структурах РНК. Эти структуры состоят из нескольких комбинаций пар оснований и взаимодействий Хугстина. Например, триплекс GGC (GGC амино (N-2) -N-7, иминокарбонил, карбониламино (N-4); Watson-Crick), наблюдаемый в рибосоме 50S , состоящей из GC типа Уотсона-Крика. пара и входящий G, который формирует псевдо-хугстиновскую сеть взаимодействий водородных связей между обоими основаниями, участвующими в каноническом спаривании. [11] Другие известные примеры триплексов с большими бороздками включают (i) каталитическое ядро интрона группы II.показано на рисунке слева [6] (ii) каталитически существенная тройная спираль, наблюдаемая в теломеразной РНК человека [7] (iii) рибопереключатель SAM-II [13] и (iv) элемент ядерной экспрессии (ENE), который действует как элемент стабилизации РНК за счет образования тройной спирали с поли (А) хвостом. [14] [15]

Трехцепочечная ДНК также возможна из Hoogsteen или обращенных Hoogsteen водородных связей в большой бороздке B-формы ДНК .

Квадруплексы [ править ]

Помимо двойных спиралей и вышеупомянутых триплексов, РНК и ДНК могут также образовывать четверные спирали. Существуют различные структуры квадруплексов оснований РНК. Четыре последовательных остатка гуанина могут образовывать квадруплекс в РНК за счет водородных связей Хугстина с образованием «кольца Хугстина» (см. Рисунок). [11] Пары GC и AU могут также образовывать базовый квадруплекс с комбинацией спаривания Уотсона-Крика и неканонического спаривания в малой бороздке . [16]

Ядро аптамера малахитового зеленого также представляет собой своего рода базовый квадруплекс с другим рисунком водородных связей (см. Рисунок). [12] Квадруплекс может повторяться несколько раз подряд, образуя чрезвычайно стабильную структуру.

Уникальная структура квадруплексных областей в РНК может выполнять различные функции в биологической системе. Две важные функции - это потенциал связывания с лигандами или белками и его способность стабилизировать всю третичную структуру ДНК или РНК. Сильная структура может ингибировать или модулировать транскрипцию и репликацию , например, в теломерах хромосом и UTR мРНК. [17] Идентичность основания важна для связывания лиганда. G-квартет обычно связывает одновалентные катионы, такие как калий, в то время как другие основания могут связывать множество других лигандов, таких как гипоксантин, в квадруплексе UUCU. [16]

Наряду с этими функциями G-квадруплекс в мРНК вокруг участков связывания рибосом может служить регулятором экспрессии генов у бактерий . [18] Возможно, существуют более интересные структуры и функции, которые еще предстоит открыть in vivo .

Коаксиальный стек [ править ]

Вторичная (вставка) и третичная структура тРНК, демонстрирующая коаксиальный стэкинг. [19]

Коаксиальная укладка, также известная как спиральная укладка, является основным фактором, определяющим третичную структуру РНК более высокого порядка. Коаксиальный стэкинг происходит, когда два дуплекса РНК образуют непрерывную спираль, которая стабилизируется за счет стэкинга оснований на границе раздела двух спиралей. Коаксиальная упаковка отмечена в кристаллической структуре tRNAPhe. [20] Совсем недавно коаксиальный стэкинг наблюдали в структурах более высокого порядка многих рибозимов , включая многие формы самосплайсинговых интронов группы I и группы II . Общие мотивы коаксиальной укладки включают взаимодействие петли поцелуя и псевдоузла.. Стабильность этих взаимодействий может быть предсказана путем адаптации «правил Тернера». [21]

В 1994 году Вальтер и Тернер определил свободные вклады энергии ближайших соседних штабелирования взаимодействий внутри интерфейса спираль-спирали с использованием модели системы , которая создала интерфейс спираль-спираль между короткой олигомера и четырех- нуклеотидной свеса на конце шпильки корень. Их эксперименты подтвердили, что термодинамический вклад укладки оснований между двумя спиральными вторичными структурами близко имитирует термодинамику образования стандартного дуплекса (взаимодействия ближайших соседей предсказывают термодинамическую стабильность полученной спирали). Относительная стабильность взаимодействий ближайших соседей может быть использована для предсказания благоприятного коаксиального стэкинга на основе известной вторичной структуры. Уолтер и Тернер обнаружили, что в среднем предсказание структуры РНК улучшилось с 67% до 74% точности, когда были включены вклады коаксиального стека. [22]

Наиболее хорошо изученные третичные структуры РНК содержат примеры коаксиального стэкинга. Некоторыми яркими примерами являются тРНК-Phe, интроны группы I, интроны группы II и рибосомные РНК. Кристаллические структуры тРНК выявили наличие двух протяженных спиралей, которые являются результатом коаксиального стэкинга акцепторного стержня аминокислоты с Т-плечом и стэкинга D- и антикодонного плеч. Эти взаимодействия внутри тРНК ориентируют ножку антикодона перпендикулярно аминокислотной ножке, что приводит к функциональной L-образной третичной структуре. [20] Было показано, что в интронах группы I спирали P4 и P6 коаксиально штабелируются с использованием комбинации биохимических методов [23]и кристаллографические методы. Кристаллическая структура P456 предоставила подробное представление о том, как коаксиальная укладка стабилизирует упаковку спиралей РНК в третичные структуры. [24] В интроне группы II самосплайсинга из Oceanobacillus iheyensis стебли IA и IB коаксиально штабелируются и вносят вклад в относительную ориентацию составляющих спиралей пятистороннего соединения. [6] Эта ориентация способствует правильному сворачиванию активного сайта функционального рибозима. Рибосома содержит множество примеров коаксиального стэкинга, включая стэкированные сегменты длиной до 70 п.н. [25]

формирование псевдоузла при соосном наложении двух спиралей

Два распространенных мотива, включающих коаксиальную укладку, - это петли для поцелуев и псевдоузлы. При взаимодействии целующейся петли участки одноцепочечной петли двух шпилек взаимодействуют посредством спаривания оснований, образуя составную, коаксиально уложенную спиралью. Примечательно, что эта структура позволяет всем нуклеотидам в каждой петле участвовать во взаимодействиях спаривания оснований и стэкинга. Этот мотив был визуализирован и изучен с помощью ЯМР-анализа Ли и Кротерс. [26]Мотив псевдоузла возникает, когда одноцепочечный участок петли шпильки спаривается с последовательностью, расположенной выше или ниже в той же цепи РНК. Две результирующие дуплексные области часто накладываются друг на друга, образуя стабильную коаксиально уложенную составную спираль. Одним из примеров мотива псевдоузла является высокостабильный рибозим вируса гепатита дельта, в котором остов имеет общую топологию двойного псевдоузла. [27]

Эффект, подобный коаксиальному наложению, наблюдается в рационально разработанных структурах ДНК. Структуры ДНК-оригами содержат большое количество двойных спиралей с открытыми тупыми концами. Было обнаружено, что эти структуры слипаются по краям, которые содержат эти открытые тупые концы, из-за гидрофобных взаимодействий при наложении стопки. [28]

Другие мотивы [ править ]

Взаимодействие тетрапетля и рецептора [ править ]

Палка представление тетрапетли GAAA - пример из семейства тетрапетл GNRA. [29]

Взаимодействия тетрапетли и рецептора сочетают в себе спаривание оснований и взаимодействия стэкинга между нуклеотидами петли мотива тетрапетли и мотивом рецептора, расположенным в дуплексе РНК, создавая третичный контакт, который стабилизирует глобальную третичную складку молекулы РНК . Тетрапетли также являются возможными структурами в дуплексах ДНК. [30]

Стеблевые петли могут сильно различаться по размеру и последовательности, но тетрапетли из четырех нуклеотидов очень распространены и обычно относятся к одной из трех категорий в зависимости от последовательности. [31] Эти три семейства представляют собой тетрапетли CUYG, UNCG и GNRA (см. Рисунок справа) . [32] В каждом из этих семейств тетрапетлей второй и третий нуклеотиды образуют поворот в цепи РНК, а пара оснований между первым и четвертым нуклеотидами стабилизирует структуру стержневой петли. В целом было определено, что стабильность тетрапетли зависит от состава оснований внутри петли и от состава этой «замыкающей пары оснований». [33]Семейство GNRA тетрапетлей чаще всего наблюдается во взаимодействиях тетрапетлей и рецепторов. Кроме того, известно, что тетрапетли UMAC являются альтернативными версиями петель GNRA, оба имеют сходные опорные структуры; несмотря на сходство, они отличаются возможными дальнодействующими взаимодействиями, на которые они способны. [34]


Тетрапетля и рецептор GAAA: палочка представляет тетрапетлю (желтый) и ее рецептор, показывая пары оснований Уотсона-Крика и Хугстина. [29]

«Мотивы рецептора тетрапетли» представляют собой дальнодействующие третичные взаимодействия [35], состоящие из водородных связей между основаниями в тетрапетле и последовательностями стволовой петли в дистальных участках вторичной структуры РНК. [36] Помимо водородных связей, стэкинг-взаимодействия являются важным компонентом этих третичных взаимодействий. Например, во взаимодействиях GNRA-тетрапетля второй нуклеотид тетрапетли укладывается непосредственно на мотив A-платформы (см. Выше) внутри рецептора. [24] Последовательность тетрапетли и ее рецептора часто ковариантна, так что один и тот же тип третичного контакта может быть установлен с разными изоформами тетрапетли и его родственного рецептора. [37]

Например, самосплайсинговый интрон группы I зависит от мотивов рецептора тетралупа для своей структуры и функции. [24] [36] В частности, три остатка аденина канонического мотива GAAA складываются на вершине спирали рецептора и образуют множественные стабилизирующие водородные связи с рецептором. Первый аденин последовательности GAAA образует тройную пару оснований с AU основаниями рецептора. Второй аденин стабилизируется водородными связями с тем же уридином, а также через его 2'-ОН с рецептором и через взаимодействия с гуанином тетрапетли GAAA. Третий аденин образует тройную пару оснований.

Мотив ля минор [ править ]

Взаимодействия ля минор
Взаимодействие A-минорного типа I : взаимодействия типа I являются наиболее распространенными и сильнейшими взаимодействиями A-минор, поскольку они включают многочисленные водородные связи и скрывают входящее основание A в малой бороздке. [38]
Взаимодействие A-минорного типа II : взаимодействия типа II включают 2'-OH-группу и N3 аденозина . Аденозин взаимодействует с 2'-ОН группой цитозина в малой бороздке. Сила этого взаимодействия порядка взаимодействия типа I. [38]

Мотив A-минор является повсеместным мотивом третичной структуры РНК . Он образуется путем вставки неспаренного нуклеозида в малую бороздку дуплекса РНК. Таким образом, это пример тройной малой канавки . Хотя гуанозин, цитозин и уридин также могут образовывать тройные взаимодействия малых бороздок, взаимодействия аденина с малыми бороздками очень распространены. В случае аденина край N1-C2-N3 вставленного основания образует водородные связи с одним или обоими 2'-OH дуплекса, а также с основаниями дуплекса (см. Рисунок: A-минорные взаимодействия ). Дуплекс хоста часто является базовой парой GC.

A-минорные мотивы были разделены на четыре класса, [8] типы от 0 до III, на основании положения вставляющего основания относительно двух 2'-OH пары оснований Уотсона-Крика.. В минорных мотивах A типов I и II, N3 аденина вставлен глубоко в малую бороздку дуплекса (см. Рисунок: Взаимодействие A-минор - взаимодействие типа II), и существует хорошая комплементарность формы с парой оснований. В отличие от типов 0 и III, взаимодействия типов I и II специфичны для аденина из-за взаимодействий водородных связей. При взаимодействии типа III как O2 ', так и N3 вставляющей основы менее тесно связаны с малой бороздкой дуплекса. Мотивы типов 0 и III более слабые и неспецифические, потому что они опосредуются взаимодействиями с одним 2'-OH (см. Рисунок: A-минорные взаимодействия - взаимодействия типа 0 и типа III).

A-минорный мотив является одним из наиболее распространенных структурных мотивов РНК в рибосоме, где он способствует связыванию тРНК с субъединицей 23S. [39] Они наиболее часто стабилизируют дуплексные взаимодействия РНК в петлях и спиралях, например, в ядре интронов группы II. [6]

Интересным примером A-minor является его роль в распознавании антикодонов . Рибосома должна различать правильные и неправильные пары кодон-антикодон. Частично это происходит за счет введения оснований аденина в малую бороздку. Неправильные пары кодон-антикодон будут иметь искаженную спиральную геометрию, что не позволит взаимодействию A-минор стабилизировать связывание и увеличит скорость диссоциации неправильной тРНК. [40]

Анализ A-минорных мотивов в 23S рибосомной РНК выявил иерархическую сеть структурных зависимостей, предположительно связанных с эволюцией рибосом и порядком событий, которые привели к развитию современной большой субъединицы бактерий. [41]

Сообщается, что A-минорный мотив и его новый подкласс, WC / H A-минорные взаимодействия, укрепляют другие третичные структуры РНК, такие как тройные спирали с большими бороздками, идентифицированные в элементах стабилизации РНК. [15] [42]

Рибозная молния [ править ]

Рибозные молнии: вид канонической рибозной молнии между двумя скелетами РНК. [29]

Рибозная застежка-молния представляет собой третичный структурный элемент РНК, в котором две цепи РНК удерживаются вместе за счет взаимодействий водородных связей с участием 2'OH сахаров рибозы на разных цепях. 2'OH может действовать как донор и акцептор водородной связи, что позволяет образовывать раздвоенные водородные связи с другим 2'OH. [43] [44]

Сообщалось о многочисленных формах рибозной застежки-молнии, но общий тип включает четыре водородные связи между 2'-ОН группами двух соседних сахаров. Застежки-молнии из рибозы обычно образуют массивы, которые стабилизируют взаимодействия между отдельными цепями РНК. [45] Рибозные молнии часто наблюдаются как взаимодействия стебля и петли с очень низкой специфичностью последовательности. Однако в малых и больших рибосомных субъединицах существует склонность к рибозным застежкам последовательности CC / AA - двум цитозинам в первой цепи, связанным с двумя аденинами во второй цепи.

Роль ионов металлов [ править ]

Связывание ионов металлов в интроне I группы
PDB визуализация координации магния во внутренней сфере интрона группы I. Два красных шара указывают на ионы магния, а пунктирные линии, идущие от ионов, указывают на координацию с соответствующими группами нуклеотидов. Схема цветовой кодировки следующая: зеленый = углерод, оранжевый = фосфат, розовый = кислород, синий = азот. [46]
PDB визуализация связывающего кармана P5c интрона группы 1, демонстрирующая внешнесферную координацию. Здесь шесть аминов гексамина осмия (III) выполняют роль, обычно выполняемую молекулами воды, и опосредуют взаимодействие иона с большой бороздкой. Координация через водородные связи обозначена пунктирными линиями, осмий выделен розовым цветом, все остальные цвета такие же, как указано выше. [29]

Функциональные РНК часто представляют собой свернутые, стабильные молекулы трехмерной формы, а не гибкие линейные цепи. [47] Катионы необходимы для термодинамической стабилизации третичных структур РНК. Катионы металлов, связывающие РНК, могут быть одновалентными, двухвалентными или трехвалентными. Калий (K + ) - это обычный одновалентный ион, связывающий РНК. Обычным двухвалентным ионом, связывающим РНК, является магний (Mg 2+ ). Было обнаружено, что другие ионы, включая натрий (Na + ), кальций (Ca 2+ ) и марганец (Mn 2+ ), связывают РНК in vivo иin vitro . Многовалентные органические катионы, такие как спермидин или спермин, также находятся в клетках, и они вносят важный вклад в укладку РНК. Трехвалентные ионы, такие как гексамин кобальта, или ионы лантаноидов, такие как тербий (Tb 3+ ), являются полезными экспериментальными инструментами для изучения связывания металлов с РНК. [48] [49]

Ион металла может взаимодействовать с РНК множеством способов. Ион может диффузно связываться с основной цепью РНК, защищая в противном случае неблагоприятные электростатические взаимодействия . Экранирование заряда часто осуществляется одновалентными ионами. Связанные с сайтом ионы стабилизируют определенные элементы третичной структуры РНК. Связанные с сайтом взаимодействия можно подразделить на две категории в зависимости от того, опосредует ли вода связывание металла. Взаимодействия «внешней сферы» опосредуются молекулами воды, которые окружают ион металла. Например, гексагидрат магния взаимодействует и стабилизирует определенные мотивы третичной структуры РНК посредством взаимодействия с гуанозином.в большой канавке. И наоборот, взаимодействия «внутренней сферы» напрямую опосредуются ионом металла. РНК часто складывается в несколько стадий, и эти стадии могут быть стабилизированы различными типами катионов. На ранних стадиях РНК образует вторичные структуры, стабилизированные за счет связывания одновалентных катионов, двухвалентных катионов и полианионных аминов с целью нейтрализации полианионного остова. На более поздних стадиях этого процесса формируется третичная структура РНК, которая стабилизируется почти в основном за счет связывания двухвалентных ионов, таких как магний, с возможным вкладом связывания калия.

Сайты связывания металлов часто локализованы в глубоких и узких больших бороздках дуплекса РНК, координируя их с краями Хугстина пуринов . В частности, катионы металлов стабилизируют участки скручивания основной цепи, где плотная упаковка фосфатов приводит к образованию области плотного отрицательного заряда. В дуплексах РНК есть несколько мотивов связывания ионов металлов, которые были идентифицированы в кристаллических структурах. Например, в домене P4-P6 интрона группы I Tetrahymena thermophila несколько сайтов связывания ионов состоят из тандемных пар колебаний GU и несовпадений тандемных GA , в которых двухвалентныекатионы взаимодействуют с краем Хугстина гуанозина через O6 и N7. [50] [51] [52] Другой ион-связывающий мотив в интроне группы I Tetrahymena - это мотив платформы AA, в котором последовательные аденозины в одной цепи РНК образуют неканоническую пару псевдоснований. [53] В отличие от тандемного мотива GU, платформенный мотив AA связывается преимущественно с одновалентными катионами. Во многих из этих мотивов отсутствие одновалентных или двухвалентных катионов приводит либо к большей гибкости, либо к потере третичной структуры.

Ионы двухвалентных металлов, особенно магния , оказались важными для структуры соединений ДНК, таких как промежуточное соединение Холлидея при генетической рекомбинации . Ион магния экранирует отрицательно заряженные фосфатные группы в соединении и позволяет им располагаться ближе друг к другу, обеспечивая сложенную конформацию, а не конформацию без стопки. [54] Магний жизненно важен для стабилизации подобных соединений в искусственно созданных структурах, используемых в нанотехнологиях ДНК , таких как мотив двойного кроссовера. [55]

История [ править ]

Основная статья: История молекулярной биологии

Самые ранние работы в области структурной биологии РНК более или менее совпадали с работой, проводимой над ДНК в начале 1950-х годов. В своей основополагающей статье 1953 года Уотсон и Крик предположили, что скопление ван-дер-Ваальса группой 2`OH рибозы не позволит РНК принять двойную спиральную структуру, идентичную предложенной ими модели - то, что мы теперь знаем как B-форма ДНК. [56] Это вызвало вопросы о трехмерной структуре РНК: может ли эта молекула образовывать какой-то тип спиральной структуры, и если да, то как?

В середине 1960-х годов интенсивно изучалась роль тРНК в синтезе белка. В 1965 году Холли и др. очистил и секвенировал первую молекулу тРНК, первоначально предполагая, что она приняла структуру клеверного листа, основанную в основном на способности определенных участков молекулы образовывать структуры петли стебля. [57] Выделение тРНК оказалось первой крупной удачей в структурной биологии РНК. В 1971 году Ким и др. совершил еще один прорыв, создав кристаллы дрожжевой тРНК PHE, которые дифрагировали до разрешения 2-3 Ангстремов, с помощью спермина, полиамина природного происхождения, который связывается с тРНК и стабилизирует ее. [58]

В течение значительного времени после появления первых структур тРНК область структуры РНК не претерпевала значительных успехов. Возможность изучения структуры РНК зависела от возможности выделить РНК-мишень. Это оказалось ограничивающим поле в течение многих лет, отчасти потому, что другие известные мишени - например, рибосомы - было значительно труднее изолировать и кристаллизовать. Таким образом, в течение примерно двадцати лет после первоначальной публикации структуры тРНК PHE были решены структуры только нескольких других РНК-мишеней, причем почти все они принадлежали семейству транспортной РНК. [59]

Этот досадный недостаток возможностей в конечном итоге будет преодолен в основном благодаря двум основным достижениям в исследованиях нуклеиновых кислот: идентификации рибозимов и способности продуцировать их посредством транскрипции in vitro . После публикации Тома Чеха, в котором интрон группы I Tetrahymena является автокаталитическим рибозимом, [60] и отчета Сидни Альтмана о катализе рибонуклеазой P РНК [61], в конце 1980-х годов были идентифицированы несколько других каталитических РНК, [62] включая головку молотка. рибозим. В 1994 году McKay et al.опубликовали структуру «комплекса РНК-ДНК-рибозим-ингибитор в форме головки молотка» с разрешением 2,6 Ангстрема, в котором автокаталитическая активность рибозима была нарушена посредством связывания с субстратом ДНК. [63] В дополнение к успехам, достигнутым в определении глобальной структуры с помощью кристаллографии, в начале 1990-х годов также была внедрена реализация ЯМР как мощного метода в структурной биологии РНК. Подобные исследования позволили более точно охарактеризовать взаимодействия спаривания оснований и стэкинга оснований, которые стабилизировали глобальные складки больших молекул РНК.

Возрождение структурной биологии РНК в середине 1990-х годов вызвало настоящий взрыв в области структурных исследований нуклеиновых кислот. С момента публикации структур «головка молота» и «P 4-6» были внесены многочисленные важные вклады в эту область. Некоторые из наиболее примечательных примеров включают структуры группы I и интронов группы II , [6] и рибосомы . [38] Первые три структуры были созданы с использованием in vitro.транскрипция, и что ЯМР сыграл роль в исследовании частичных компонентов всех четырех структур - свидетельство необходимости обоих методов для исследования РНК. Нобелевская премия по химии 2009 года была присуждена Аде Йонат , Венкатраману Рамакришнану и Томасу Стейтцу за их структурную работу над рибосомой , продемонстрировав выдающуюся роль структурной биологии РНК в современной молекулярной биологии.

См. Также [ править ]

  • Стебель-петля
  • Псевдоузел
  • Прогнозирование вторичной структуры
  • Базовая пара
  • Базовая пара колебаний
  • Базовая пара Hoogsteen
  • Рибосома
  • Riboswitch
  • Рибозим
  • Рибозим молотоголовый
  • Каталитический интрон группы I
  • Интрон группы II
  • тРНК
  • G-квадруплекс
  • i-мотив ДНК
  • Тетралуп
  • Скользкая последовательность
  • Целуя стебель-петлю

Ссылки [ править ]

  1. ^ IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « третичная структура ». DOI : 10,1351 / goldbook.T06282
  2. ^ Richmond TJ, Дэви CA (май 2003). «Структура ДНК в ядре нуклеосомы». Природа . 423 (6936): 145–50. Bibcode : 2003Natur.423..145R . DOI : 10,1038 / природа01595 . PMID  12736678 . S2CID  205209705 .
  3. ^ Ватсон JD Крик FH (апрель 1953). «Молекулярная структура нуклеиновых кислот; структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы» (PDF) . Природа . 171 (4356): 737–8. Bibcode : 1953Natur.171..737W . DOI : 10.1038 / 171737a0 . PMID 13054692 . S2CID 4253007 .   
  4. ^ Bansal M (2003). "Структура ДНК: Возвращаясь к двойной спирали Уотсона-Крика". Современная наука . 85 (11): 1556–1563.
  5. ^ Гош A, Bansal M (2003). «Глоссарий структур ДНК от А до Я». Acta Crystallogr D . 59 (4): 620–626. DOI : 10.1107 / S0907444903003251 . PMID 12657780 . 
  6. ^ a b c d e PDB : 3BWP ; Тоор Н., Китинг К.С., Тейлор С.Д., Пайл А.М. (апрель 2008 г.). «Кристаллическая структура самосплайсированного интрона группы II» . Наука . 320 (5872): 77–82. Bibcode : 2008Sci ... 320 ... 77T . DOI : 10.1126 / science.1153803 . PMC 4406475 . PMID 18388288 .  ; визуализировано с помощью PyMOL
  7. ^ a b PDB : 2K95 ; Ким Н.К., Чжан К., Чжоу Дж., Теймер К.А., Петерсон Р.Д., Фейгон Дж. (Декабрь 2008 г.). «Структура раствора и динамика псевдоузла дикого типа теломеразной РНК человека» . J. Mol. Биол . 384 (5): 1249–61. DOI : 10.1016 / j.jmb.2008.10.005 . PMC 2660571 . PMID 18950640 .  ; визуализировано с помощью PyMOL
  8. ^ a b Доэрти Э.А., Бейти РТ, Маскида Б, Дудна Дж.А. (апрель 2001 г.). «Универсальный способ упаковки спирали в РНК». Nat. Struct. Биол . 8 (4): 339–43. DOI : 10.1038 / 86221 . PMID 11276255 . S2CID 213577 .  
  9. ^ Szewczak А.А., Ortoleva-Доннелли L, Ryder SP, Moncoeur E, Strobel SA (декабрь 1998). «Тройная спираль РНК с малой бороздкой в ​​каталитическом ядре интрона группы I». Nat. Struct. Биол . 5 (12): 1037–42. DOI : 10,1038 / 4146 . PMID 9846872 . S2CID 10908125 .  
  10. ^ Boudvillain М де Lencastre А, Pyle AM (июль 2000). «Третичное взаимодействие, которое связывает домены активного сайта с 5'-сайтом сплайсинга интрона группы II». Природа . 406 (6793): 315–8. Bibcode : 2000Natur.406..315B . DOI : 10.1038 / 35018589 . PMID 10917534 . S2CID 4336795 .  
  11. ^ а б в ПДБ : 1РАУ ; Cheong C, Moore PB (сентябрь 1992 г.). «Структура раствора необычайно стабильного тетраплекса РНК, содержащего G- и U-квартетные структуры». Биохимия . 31 (36): 8406–14. DOI : 10.1021 / bi00151a003 . PMID 1382577 . ; визуализировано с помощью PyMOL
  12. ^ a b PDB : 1FIT ; Baugh C, Grate D, Wilson C (август 2000 г.). «2.8 Кристаллическая структура аптамера малахитового зеленого». J. Mol. Биол . 301 (1): 117–28. DOI : 10.1006 / jmbi.2000.3951 . PMID 10926496 . ; визуализировано с помощью PyMOL
  13. Перейти ↑ Gilbert SD, Rambo RP, Van Tyne D, Batey RT (февраль 2008 г.). «Структура рибопереключателя SAM-II, связанного с S-аденозилметионином». Nat. Struct. Мол. Биол . 15 (2): 177–82. DOI : 10.1038 / nsmb.1371 . PMID 18204466 . S2CID 40791601 .  
  14. ^ Миттон-Фрай Р. М., ДеГрегорио SJ, Ван - J, Steitz Т.А., Steitz JA (ноябрь 2010 г.). «Распознавание поли (A) хвоста элементом вирусной РНК посредством сборки тройной спирали» . Наука . 330 (6008): 1244–7. DOI : 10.1126 / science.1195858 . PMC 3074936 . PMID 21109672 .  
  15. ^ а б Тораби С.Ф., Вайдья А.Т., Тыковски К.Т., ДеГрегорио С.Дж., Ван Дж., Шу М.Д. и др. (Январь 2021 г.). «Стабилизация РНК с помощью кармана связывания на 3'-конце хвоста поли (А) и других способов взаимодействия поли (А) -РНК». Наука . DOI : 10.1126 / science.abe6523 . PMID 33414189 . 
  16. ^ Б Бэйти RT, Gilbert SD, Montange РК (ноябрь 2004). «Структура природного гуанин-чувствительного рибопереключателя в комплексе с метаболитом гипоксантина». Природа . 432 (7015): 411–5. Bibcode : 2004Natur.432..411B . DOI : 10,1038 / природа03037 . PMID 15549109 . S2CID 2462025 .  
  17. ^ Arthanari H, Bolton PH (март 2001). «Функциональные и дисфункциональные роли квадруплексной ДНК в клетках» . Chem. Биол . 8 (3): 221–30. DOI : 10.1016 / S1074-5521 (01) 00007-2 . PMID 11306347 . 
  18. ^ Оливер AW, Bogdarina I, Schroeder E, Taylor IA, Kneale GG (август 2000). «Предпочтительное связывание белка гена 5 fd с тетраплексными структурами нуклеиновых кислот». J. Mol. Биол . 301 (3): 575–84. DOI : 10.1006 / jmbi.2000.3991 . PMID 10966771 . 
  19. ^ PDB : 6тна ; Суссман Дж. Л., Холбрук С. Р., Warrant RW, Church GM, Kim SH (август 1978 г.). «Кристаллическая структура дрожжевой фенилаланиновой транспортной РНК. I. Кристаллографическое уточнение». J. Mol. Биол . 123 (4): 607–30. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (78) 90209-7 . PMID 357742 . ; визуализируется через PyMOL .
  20. ^ a b Quigley GJ, Rich A (ноябрь 1976 г.). «Структурные домены молекул транспортной РНК». Наука . 194 (4267): 796–806. Bibcode : 1976Sci ... 194..796Q . DOI : 10.1126 / science.790568 . PMID 790568 . 
  21. ^ "Дуглас Х. Тернер" . Правила Тернера . Кафедра химии Рочестерского университета.
  22. Перейти ↑ Walter AE, Turner DH, Kim J, Lyttle MH, Müller P, Mathews DH, Zuker M (сентябрь 1994). «Коаксиальная укладка спиралей усиливает связывание олигорибонуклеотидов и улучшает предсказание сворачивания РНК» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 91 (20): 9218–22. Bibcode : 1994PNAS ... 91.9218W . DOI : 10.1073 / pnas.91.20.9218 . PMC 44783 . PMID 7524072 .  
  23. ^ Мерфи Флорида, Ван YH, Гриффит JD, Чех TR (сентябрь 1994). «Коаксиально уложенные спирали РНК в каталитическом центре рибозима Tetrahymena». Наука . 265 (5179): 1709–12. Bibcode : 1994Sci ... 265.1709M . DOI : 10.1126 / science.8085157 . PMID 8085157 . 
  24. ^ a b c Cate JH, Gooding AR, Podell E, Zhou K, Golden BL, Kundrot CE, Cech TR, Doudna JA (сентябрь 1996 г.). «Кристаллическая структура домена рибозима группы I: принципы упаковки РНК». Наука . 273 (5282): 1678–85. Bibcode : 1996Sci ... 273.1678C . DOI : 10.1126 / science.273.5282.1678 . PMID 8781224 . S2CID 38185676 .  
  25. ^ Ноллер HF (сентябрь 2005). «Структура РНК: чтение рибосомы». Наука . 309 (5740): 1508–14. Bibcode : 2005Sci ... 309.1508N . DOI : 10.1126 / science.1111771 . PMID 16141058 . S2CID 16577145 .  
  26. ^ Ли AJ, Crothers DM (август 1998). «Структура решения комплекса петля-петля РНК: последовательность перевернутой петли ColE1». Структура . 6 (8): 993–1005. DOI : 10.1016 / S0969-2126 (98) 00101-4 . PMID 9739090 . 
  27. ^ Ферре-D'Amaré AR, Чжоу K, Doudna JA (октябрь 1998). «Кристаллическая структура рибозима вируса гепатита дельта». Природа . 395 (6702): 567–74. Bibcode : 1998Natur.395..567F . DOI : 10.1038 / 26912 . PMID 9783582 . S2CID 4359811 .  
  28. ^ Rothemund PW (март 2006). «Складывание ДНК для создания наноразмерных форм и узоров» (PDF) . Природа . 440 (7082): 297–302. Bibcode : 2006Natur.440..297R . DOI : 10,1038 / природа04586 . PMID 16541064 . S2CID 4316391 .   
  29. ^ a b c d PDB : 1GID ; Cate JH, Gooding AR, Podell E, Zhou K, Golden BL, Kundrot CE, Cech TR, Doudna JA (сентябрь 1996 г.). «Кристаллическая структура домена рибозима группы I: принципы упаковки РНК». Наука . 273 (5282): 1678–85. Bibcode : 1996Sci ... 273.1678C . DOI : 10.1126 / science.273.5282.1678 . PMID 8781224 . S2CID 38185676 .  ; визуализировано с помощью PyMOL
  30. Перейти ↑ Nakano M, Moody EM, Liang J, Bevilacqua PC (декабрь 2002 г.). «Отбор термодинамически стабильных тетрапетлей ДНК с использованием гель-электрофореза в градиенте температуры выявляет четыре мотива: d (cGNNAg), d (cGNABg), d (cCNNGg) и d (gCNNGc)». Биохимия . 41 (48): 14281–92. DOI : 10.1021 / bi026479k . PMID 12450393 . 
  31. ^ Мур PB (1999). «Структурные мотивы в РНК». Анну. Rev. Biochem . 68 (1): 287–300. DOI : 10.1146 / annurev.biochem.68.1.287 . PMID 10872451 . 
  32. ↑ Abramovitz DL, Pyle AM ​​(февраль 1997 г.). «Замечательная морфологическая изменчивость общего мотива сворачивания РНК: взаимодействие тетрапетли GNRA с рецептором». J. Mol. Биол . 266 (3): 493–506. DOI : 10.1006 / jmbi.1996.0810 . PMID 9067606 . 
  33. ^ Муди EM, Feerrar JC, Bevilacqua PC (июнь 2004). «Доказательства того, что сворачивание шпильки тетрапетли РНК менее кооперативно, чем ее двойник ДНК». Биохимия . 43 (25): 7992–8. DOI : 10.1021 / bi049350e . PMID 15209494 . 
  34. ^ Чжао Q, Huang HC, Nagaswamy U, Y Ся, Гао X, Fox GE (август 2012). «Тетрапетли UNAC: насколько они имитируют тетрапетли GNRA?». Биополимеры . 97 (8): 617–628. DOI : 10.1002 / bip.22049 . PMID 22605553 . 
  35. ^ Williams DH, Походка MJ, Loakes D (2006). Нуклеиновые кислоты в химии и биологии . Кембридж, Великобритания: RSC Pub. ISBN 0-85404-654-2.
  36. ^ a b Jaeger L, Michel F, Westhof E (март 1994). «Участие тетрапетли GNRA в третичных взаимодействиях РНК дальнего действия». J. Mol. Биол . 236 (5): 1271–6. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (94) 90055-8 . PMID 7510342 . 
  37. ^ Мишель F, Westhof E (декабрь 1990). «Моделирование трехмерной архитектуры каталитических интронов группы I на основе сравнительного анализа последовательностей». J. Mol. Биол . 216 (3): 585–610. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (90) 90386-Z . PMID 2258934 . 
  38. ^ a b c PDB : 1FFK ; Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore PB, Steitz TA (август 2000 г.). «Полная атомная структура большой рибосомной субъединицы при разрешении 2,4 А». Наука . 289 (5481): 905–20. Bibcode : 2000Sci ... 289..905B . DOI : 10.1126 / science.289.5481.905 . PMID 10937989 . ; визуализировано с помощью PyMOL
  39. ↑ Nissen P, Ippolito JA, Ban N, Moore PB, Steitz TA (апрель 2001 г.). «Третичные взаимодействия РНК в большой субъединице рибосомы: A-минорный мотив» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 98 (9): 4899–903. Bibcode : 2001PNAS ... 98.4899N . DOI : 10.1073 / pnas.081082398 . PMC 33135 . PMID 11296253 .  
  40. ^ Yoshizawa S, Fourmy D, Puglisi JD (сентябрь 1999). «Распознавание кодон-антикодоновой спирали рибосомной РНК». Наука . 285 (5434): 1722–5. DOI : 10.1126 / science.285.5434.1722 . PMID 10481006 . 
  41. Перейти ↑ Bokov K, Steinberg SV (февраль 2009 г.). «Иерархическая модель эволюции 23S рибосомной РНК». Природа . 457 (7232): 977–80. Bibcode : 2009Natur.457..977B . DOI : 10,1038 / природа07749 . PMID 19225518 . S2CID 4400869 .  
  42. ^ Миттон-Фрай Р. М., ДеГрегорио SJ, Ван - J, Steitz Т.А., Steitz JA (ноябрь 2010 г.). «Распознавание поли (A) хвоста элементом вирусной РНК посредством сборки тройной спирали» . Наука . 330 (6008): 1244–7. DOI : 10.1126 / science.1195858 . PMC 3074936 . PMID 21109672 .  
  43. ^ Бэйти RT, Рэмбо RP, Doudna JA (август 1999). «Третичные мотивы в структуре и сворачивании РНК». Энгью. Chem. Int. Эд. Англ . 38 (16): 2326–2343. DOI : 10.1002 / (SICI) 1521-3773 (19990816) 38:16 <2326 :: AID-ANIE2326> 3.0.CO; 2-3 . PMID 10458781 . 
  44. Перейти ↑ Tamura M, Holbrook SR (июль 2002 г.). «Последовательность и структурная консервация в рибозных застежках-молниях РНК» . J. Mol. Биол . 320 (3): 455–74. DOI : 10.1016 / S0022-2836 (02) 00515-6 . PMID 12096903 . 
  45. ^ PDB : 3IGI ; Тоор Н., Китинг К.С., Федорова О., Раджашанкар К., Ван Дж., Пайл А.М. (январь 2010 г.). «Третичная архитектура интрона группы II Oceanobacillus iheyensis» . РНК . 16 (1): 57–69. DOI : 10,1261 / rna.1844010 . PMC 2802037 . PMID 19952115 .  ; визуализируется с использованием PyMOL .
  46. ^ PDB : 1ZZN ; Stahley MR, Strobel SA (сентябрь 2005 г.). «Структурные доказательства механизма сплайсинга интронов группы I с двумя ионами металлов». Наука . 309 (5740): 1587–90. Bibcode : 2005Sci ... 309.1587S . DOI : 10.1126 / science.1114994 . PMID 16141079 . S2CID 40099718 .  ; визуализировано с помощью PyMOL
  47. ^ Celander DW, Чех TR (январь 1991). «Визуализация сворачивания высшего порядка каталитической молекулы РНК». Наука . 251 (4992): 401–7. Bibcode : 1991Sci ... 251..401C . DOI : 10.1126 / science.1989074 . PMID 1989074 . 
  48. ↑ Пайл AM (сентябрь 2002 г.). «Ионы металлов в структуре и функциях РНК». J. Biol. Неорг. Chem . 7 (7–8): 679–90. DOI : 10.1007 / s00775-002-0387-6 . PMID 12203005 . S2CID 42008484 .  
  49. ^ Morrow JR, Andolina CM (2012). «Глава 6. Спектроскопические исследования связывания иона лантаноида с нуклеиновыми кислотами». В Sigel A, Sigel H, Sigel RK (ред.). Взаимодействие между ионами металлов и нуклеиновыми кислотами . Ионы металлов в науках о жизни. 10 . Springer. С. 171–197. DOI : 10.1007 / 978-94-007-2172-2_6 . PMID 22210339 . 
  50. ↑ Cate JH, Doudna JA (октябрь 1996 г.). «Сайты связывания металлов в большой бороздке большого домена рибозима». Структура . 4 (10): 1221–9. DOI : 10.1016 / S0969-2126 (96) 00129-3 . PMID 8939748 . 
  51. ^ Kieft JS, Тиноко I (май 1997). «Структура раствора металлсвязывающего сайта в большой бороздке РНК в комплексе с гексаммином кобальта (III)». Структура . 5 (5): 713–21. DOI : 10.1016 / S0969-2126 (97) 00225-6 . PMID 9195889 . 
  52. ^ Рюдиссер S, Тиноко I (февраль 2000). «Структура раствора гексаммина кобальта (III) в комплексе с тетрапетлей GAAA и связывание ионов металла с несоответствиями G · A». J. Mol. Биол . 295 (5): 1211–23. DOI : 10.1006 / jmbi.1999.3421 . PMID 10653698 . 
  53. Перейти ↑ Burkhardt C, Zacharias M (октябрь 2001 г.). «Моделирование ионного связывания с мотивами платформы AA в РНК: исследование континуума растворителей, включая конформационную адаптацию» . Nucleic Acids Res . 29 (19): 3910–8. DOI : 10.1093 / NAR / 29.19.3910 . PMC 60250 . PMID 11574672 .  
  54. ^ Панютин IG, Biswas I, Се P (апрель 1995). «Ключевая роль структуры соединения Холлидея в миграции ветви ДНК» . Журнал EMBO . 14 (8): 1819–26. DOI : 10.1002 / j.1460-2075.1995.tb07170.x . PMC 398275 . PMID 7737132 .  
  55. ↑ Fu TJ, Seeman NC (апрель 1993 г.). «Молекулы двойного кроссовера ДНК». Биохимия . 32 (13): 3211–20. DOI : 10.1021 / bi00064a003 . PMID 8461289 . 
  56. ^ Ватсон JD Крик FH (апрель 1953). «Молекулярная структура нуклеиновых кислот; структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы» (PDF) . Природа . 171 (4356): 737–738. Bibcode : 1953Natur.171..737W . DOI : 10.1038 / 171737a0 . PMID 13054692 . S2CID 4253007 .   
  57. ^ Холли, RW, Апгар, J Эверетт, штат Джорджия, Мэдисон, Джей Ти, Marguisse, М, Меррилл, SH, Penwick, JR, Замир (март 1965 г.). «Строение рибонуклеиновой кислоты». Наука . 147 (3664): 1462–5. Bibcode : 1965Sci ... 147.1462H . DOI : 10.1126 / science.147.3664.1462 . PMID 14263761 . S2CID 40989800 .  CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  58. ^ Kim SH, Куигли G, Suddath FL, Rich A (апрель 1971). «Дифрактограммы с высокой разрешающей способностью рентгеновского кристаллического переноса РНК , которые показывают спиральные участки» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 68 (4): 841–5. Bibcode : 1971PNAS ... 68..841K . DOI : 10.1073 / pnas.68.4.841 . PMC 389056 . PMID 5279525 .  
  59. ↑ Shen LX, Cai Z, Tinoco I (август 1995). «Структура РНК в высоком разрешении». FASEB J . 9 (11): 1023–33. DOI : 10.1096 / fasebj.9.11.7544309 . PMID 7544309 . S2CID 40621440 .  
  60. ^ Чех TR, Зауг AJ, Грабовски PJ (декабрь 1981). «Сплайсинг in vitro предшественника рибосомной РНК Tetrahymena: участие гуанозинового нуклеотида в вырезании промежуточной последовательности». Cell . 27 (3 Pt 2): 487–96. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (81) 90390-1 . PMID 6101203 . S2CID 17674600 .  
  61. Перейти ↑ Stark BC, Kole R, Bowman EJ, Altman S (август 1978). «Рибонуклеаза P: фермент с важным компонентом РНК» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 75 (8): 3717–21. Bibcode : 1978PNAS ... 75.3717S . DOI : 10.1073 / pnas.75.8.3717 . PMC 392857 . PMID 358197 .  
  62. ^ Prody Г.А., Bakos JT, Buzayan JM, Schneider IR, Брюнинг G (март 1986). "Автолитический процессинг сателлитной РНК димерного вируса растений". Наука . 231 (4745): 1577–1580. Bibcode : 1986Sci ... 231.1577P . DOI : 10.1126 / science.231.4745.1577 . PMID 17833317 . S2CID 21563490 .  
  63. ^ Плей HW, Флаэрти К., Маккей DB (ноябрь 1994). «Трехмерная структура рибозима головки молотка». Природа . 372 (6501): 68–74. Bibcode : 1994Natur.372 ... 68P . DOI : 10.1038 / 372068a0 . PMID 7969422 . S2CID 4333072 .