Тройная спираль

В области геометрии и биохимии тройная спираль ( мн.: тройные спирали ) представляет собой набор из трех конгруэнтных геометрических спиралей с одной и той же осью , различающихся перемещением вдоль оси. Это означает, что каждая из спиралей находится на одинаковом расстоянии от центральной оси. Как и одинарная спираль, тройная спираль может характеризоваться шагом, диаметром и направленностью. Примеры тройных спиралей включают триплекс ДНК , ^{[ 1 ]} триплекс РНК , ^{[ 2 ]} коллагеновая спираль , ^{[ 3 ]} и коллагеноподобные белки .

Структура

Тройная спираль названа так потому, что она состоит из трех отдельных спиралей . Каждая из этих спиралей имеет одну и ту же ось, но они не занимают одно и то же пространство, поскольку каждая спираль перемещается под углом вокруг оси. Как правило, идентичность тройной спирали зависит от типа спиралей, из которых она состоит. Например: тройная спираль, состоящая из трех нитей белка коллагена, представляет собой тройную спираль коллагена, а тройная спираль, состоящая из трех нитей ДНК , представляет собой тройную спираль ДНК.

Как и другие типы спиралей, тройные спирали имеют левосторонность: правостороннюю или левостороннюю. Правая спираль движется вокруг своей оси по часовой стрелке от начала до конца. Левая спираль является зеркальным отражением правой спирали и движется вокруг оси против часовой стрелки от начала до конца. ^{[ 4 ]} Начало и конец спиральной молекулы определяются на основе определенных маркеров в молекуле, которые нелегко изменяются. Например: начало спирального белка — это его N-конец , а начало одиночной цепи ДНК — его 5’-конец . ^{[ 4 ]}

состоит Тройная спираль коллагена из трех пептидов коллагена, каждый из которых образует собственную левую полипролиновую спираль. ^{[ 5 ]} Когда три цепи объединяются, тройная спираль принимает правостороннюю ориентацию. Коллагеновый пептид состоит из повторов Gly -XY, причем второй остаток (X) обычно представляет собой Pro , а третий (Y) — гидроксипролин. ^{[ 6 ]}^{[ 5 ]}

Тройная спираль ДНК состоит из трех отдельных цепей ДНК, каждая из которых ориентирована так, что сахарно-фосфатный остов находится снаружи спирали, а основания — внутри спирали. Основания — это часть молекулы, ближайшая к оси тройной спирали, а основная цепь — это часть молекулы, наиболее удаленная от оси. Третья цепь занимает большую бороздку относительно нормального дуплекса ДНК. ^{[ 7 ]} Основания в триплексной ДНК расположены таким образом, чтобы совпадать в соответствии со схемой спаривания оснований Хугстина . ^{[ 8 ]} Аналогично, тройные спирали РНК образуются в результате образования одноцепочечной РНК водородных связей с дуплексом РНК; дуплекс состоит из пары оснований Уотсона-Крика, а третья цепь связывается через пару оснований Хугстина. ^{[ 9 ]}

Стабилизирующие факторы

Тройная спираль коллагена имеет несколько характеристик, повышающих ее стабильность. Когда пролин включается в положение Y последовательности Gly-XY, он посттрансляционно модифицируется до гидроксипролина . ^{[ 10 ]} Гидроксипролин может вступать в благоприятные взаимодействия с водой, что стабилизирует тройную спираль, поскольку остатки Y в структуре тройной спирали доступны для растворителя. Отдельные спирали также удерживаются вместе обширной сетью амид-амидных водородных связей, образующихся между нитями, каждая из которых вносит примерно -2 ккал/моль в общую свободную энергию тройной спирали. ^{[ 5 ]} Образование суперспирали не только защищает важные остатки глицина внутри спирали, но также защищает весь белок от протеолиза. ^{[ 6 ]}

Трехспиральная ДНК и РНК стабилизируются многими из тех же сил, которые стабилизируют двухцепочечные спирали ДНК. Поскольку нуклеотидные основания ориентированы внутрь спирали, ближе к ее оси, основания образуют водородные связи с другими основаниями. Связанные основания в центре исключают воду, поэтому гидрофобный эффект особенно важен для стабилизации тройных спиралей ДНК. ^{[ 4 ]}

Биологическая роль

Белки

Члены суперсемейства коллагена вносят основной вклад во внеклеточный матрикс. Тройная спиральная структура обеспечивает прочность и стабильность коллагеновых волокон, обеспечивая высокую устойчивость к растягивающим нагрузкам. Жесткость коллагеновых волокон является важным фактором, который может противостоять большинству механических нагрузок, что делает его идеальным белком для макромолекулярного транспорта и общей структурной поддержки во всем организме. ^{[ 6 ]}

ДНК

Существуют некоторые олигонуклеотидные последовательности, называемые триплет-образующими олигонуклеотидами (TFO), которые могут связываться с образованием триплекса с более длинной молекулой двухцепочечной ДНК; TFO могут инактивировать ген или помочь вызвать мутации. ^{[ 7 ]} TFO могут связываться только с определенными участками в более крупной молекуле, поэтому исследователи должны сначала определить, может ли TFO связываться с интересующим геном. скрученную интеркалирующую нуклеиновую кислоту Для улучшения этого процесса иногда используют . Картирование полногеномных пар TFO-TTS путем секвенирования является полезным способом изучения триплексной ДНК во всем геноме с использованием олигобиблиотеки.

РНК

В последние годы биологическая функция триплексной РНК стала более изученной. Некоторые роли включают повышение стабильности, трансляции, влияние на связывание лигандов и катализ. Одним из примеров связывания лиганда, на которое влияет тройная спираль, является рибопереключатель SAM-II , где тройная спираль создает сайт связывания, который уникальным образом принимает S -аденозилметионин ( SAM ). ^{[ 9 ]} рибонуклеопротеинового комплекса Теломераза , ответственная за репликацию хвостовых концов ДНК ( теломеры ), также содержит триплексную РНК, которая, как полагают, необходима для правильного функционирования теломеразы. ^{[ 9 ]}^{[ 11 ]} Тройная спираль на 3'-конце длинных некодирующих РНК PAN и MALAT1 служит для стабилизации РНК, защищая хвост Poly(A) от деаденилирования, которое впоследствии влияет на их функции в вирусном патогенезе и множественных раковых заболеваниях человека. ^{[ 9 ]}^{[ 12 ]} Кроме того, тройные спирали РНК могут стабилизировать мРНК за счет образования связывающего кармана на 3'-конце поли(А)-хвоста. ^{[ 13 ]}

Вычислительные инструменты

TDF (поиск триплексных доменов)

TDF — пакет на основе Python. ^{[ 14 ]} для прогнозирования потенциала образования триплекса РНК-ДНК. Программное обеспечение начинается с перебора подстрок между TFO и TTS и использует статистические тесты, чтобы определить значимый результат по сравнению с фоном.

Триплексфпп

Триплексфпп ^{[ 15 ]} основан на методах глубокого обучения. Эти конвейеры на основе Python могут помочь предсказать наиболее вероятную lncRNA, образующую триплекс. Однако, поскольку днРНК для обучения ограничена, предстоит пройти долгий путь, прежде чем можно будет применять методы машинного обучения и глубокого обучения.

Ссылки

^ Бернуэс Х., Азорин Ф. (1995). «Трёхцепочечная ДНК». Нуклеиновые кислоты и молекулярная биология . Том. 9. Берлин, Гейдельберг: Шпрингер. стр. 1–21. дои : 10.1007/978-3-642-79488-9_1 . ISBN 978-3-642-79490-2 .
^ Буске Ф.А., Мэттик Дж.С., Бэйли Т.Л. (май 2011 г.). «Потенциальная роль тройных спиралей нуклеиновых кислот in vivo» . Биология РНК . 8 (3): 427–439. дои : 10.4161/rna.8.3.14999 . ПМЦ 3218511 . ПМИД 21525785 .
^ Бэчингер Х.П. (3 мая 2005 г.). Коллаген: учебник по структуре, обработке и сборке . Springer Science & Business Media. ISBN 9783540232728 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Куриан Дж., Комфорт Б., Веммер Д. (25 июля 2012 г.). Молекулы жизни: физические и химические принципы . Нью-Йорк: Garland Science, Taylor & Francisco Group. ISBN 9780815341888 . OCLC 779577263 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Шоулдерс, доктор медицинских наук, Рейнс РТ (2009). «Структура и стабильность коллагена» . Ежегодный обзор биохимии . 78 : 929–958. doi : 10.1146/annurev.biochem.77.032207.120833 . ПМЦ 2846778 . ПМИД 19344236 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Фидлер А.Л., Боудко С.П., Рокас А., Хадсон Б.Г. (апрель 2018 г.). «Тройная спираль коллагена — древняя белковая структура, которая обеспечила многоклеточность животных и эволюцию тканей» . Журнал клеточной науки . 131 (7): jcs203950. дои : 10.1242/jcs.203950 . ПМЦ 5963836 . ПМИД 29632050 .
^ Jump up to: ^а ^б Джайн А., Ван Г., Васкес К.М. (август 2008 г.). «Тройные спирали ДНК: биологические последствия и терапевтический потенциал» . Биохимия . 90 (8): 1117–1130. дои : 10.1016/j.biochi.2008.02.011 . ПМК 2586808 . ПМИД 18331847 .
^ Дука М., Векхофф П., Уседик К., Халби Л., Аримондо П.Б. (сентябрь 2008 г.). «Тройная спираль: результат 50 лет спустя» . Исследования нуклеиновых кислот . 36 (16): 5123–5138. дои : 10.1093/нар/gkn493 . ПМЦ 2532714 . ПМИД 18676453 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Конрад НК (2014). «Новая роль тройных спиралей в биологии РНК» . Междисциплинарные обзоры Wiley. РНК . 5 (1): 15–29. дои : 10.1002/wrna.1194 . ПМЦ 4721660 . ПМИД 24115594 .
^ Бродский Б, Персиков А.В. (01.01.2005). «Молекулярная структура тройной спирали коллагена». Достижения в области химии белков . 70 : 301–339. дои : 10.1016/S0065-3233(05)70009-7 . ISBN 9780120342709 . ПМИД 15837519 . S2CID 20879450 .
^ Теймер, Калифорния, Блуа, Калифорния, Фейгон Дж. (март 2005 г.). «Структура псевдоузла теломеразной РНК человека обнаруживает консервативные третичные взаимодействия, необходимые для функционирования» . Молекулярная клетка . 17 (5): 671–682. doi : 10.1016/j.molcel.2005.01.017 . ПМИД 15749017 .
^ Браун Дж.А., Балкли Д., Ван Дж., Валенштейн М.Л., Ярио Т.А., Стейц Т.А., Стейц Дж.А. (июль 2014 г.). «Структурные данные о стабилизации некодирующей РНК MALAT1 с помощью двудольной тройной спирали» . Структурная и молекулярная биология природы . 21 (7): 633–640. дои : 10.1038/nsmb.2844 . ПМК 4096706 . ПМИД 24952594 .
^ Тораби С.Ф., Вайдья А.Т., Тыковски К.Т., ДеГрегорио С.Дж., Ван Дж., Шу, доктор медицинских наук и др. (февраль 2021 г.). «Стабилизация РНК с помощью кармана связывания 3'-конца поли(А)-хвоста и других способов взаимодействия поли(А)-РНК» . Наука . 371 (6529): eabe6523. дои : 10.1126/science.abe6523 . ПМЦ 9491362 . ПМИД 33414189 . S2CID 231195473 .
^ Куо CC, Ханзельманн С., Сентюрк Четин Н., Франк С., Зайзон Б., Деркс Дж.П. и др. (апрель 2019 г.). «Обнаружение сайтов связывания РНК-ДНК в длинных некодирующих РНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 47 (6): е32. дои : 10.1093/nar/gkz037 . ПМК 6451187 . ПМИД 30698727 .
^ Чжан Ю, Лонг Ю, Кво К.К. (ноябрь 2020 г.). «Триплекс ДНК:РНК на основе глубокого обучения формирует потенциальное предсказание» . БМК Биоинформатика . 21 (1): 522. дои : 10.1186/s12859-020-03864-0 . ПМЦ 7663897 . ПМИД 33183242 .

[1] Бернуэс Х., Азорин Ф. (1995). «Трёхцепочечная ДНК». Нуклеиновые кислоты и молекулярная биология . Том. 9. Берлин, Гейдельберг: Шпрингер. стр. 1–21. дои : 10.1007/978-3-642-79488-9_1 . ISBN 978-3-642-79490-2 .

[2] Буске Ф.А., Мэттик Дж.С., Бэйли Т.Л. (май 2011 г.). «Потенциальная роль тройных спиралей нуклеиновых кислот in vivo» . Биология РНК . 8 (3): 427–439. дои : 10.4161/rna.8.3.14999 . ПМЦ 3218511 . ПМИД 21525785 .

[3] Бэчингер Х.П. (3 мая 2005 г.). Коллаген: учебник по структуре, обработке и сборке . Springer Science & Business Media. ISBN 9783540232728 .

[Kuriyan_2012-4] Jump up to: ^а ^б ^с Куриан Дж., Комфорт Б., Веммер Д. (25 июля 2012 г.). Молекулы жизни: физические и химические принципы . Нью-Йорк: Garland Science, Taylor & Francisco Group. ISBN 9780815341888 . OCLC 779577263 .

[Shoulders_2009-5] Jump up to: ^а ^б ^с Шоулдерс, доктор медицинских наук, Рейнс РТ (2009). «Структура и стабильность коллагена» . Ежегодный обзор биохимии . 78 : 929–958. doi : 10.1146/annurev.biochem.77.032207.120833 . ПМЦ 2846778 . ПМИД 19344236 .

[Fidler_2018-6] Jump up to: ^а ^б ^с Фидлер А.Л., Боудко С.П., Рокас А., Хадсон Б.Г. (апрель 2018 г.). «Тройная спираль коллагена — древняя белковая структура, которая обеспечила многоклеточность животных и эволюцию тканей» . Журнал клеточной науки . 131 (7): jcs203950. дои : 10.1242/jcs.203950 . ПМЦ 5963836 . ПМИД 29632050 .

[Jain_2008-7] Jump up to: ^а ^б Джайн А., Ван Г., Васкес К.М. (август 2008 г.). «Тройные спирали ДНК: биологические последствия и терапевтический потенциал» . Биохимия . 90 (8): 1117–1130. дои : 10.1016/j.biochi.2008.02.011 . ПМК 2586808 . ПМИД 18331847 .

[8] Дука М., Векхофф П., Уседик К., Халби Л., Аримондо П.Б. (сентябрь 2008 г.). «Тройная спираль: результат 50 лет спустя» . Исследования нуклеиновых кислот . 36 (16): 5123–5138. дои : 10.1093/нар/gkn493 . ПМЦ 2532714 . ПМИД 18676453 .

[Conrad_2014-9] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Конрад НК (2014). «Новая роль тройных спиралей в биологии РНК» . Междисциплинарные обзоры Wiley. РНК . 5 (1): 15–29. дои : 10.1002/wrna.1194 . ПМЦ 4721660 . ПМИД 24115594 .

[10] Бродский Б, Персиков А.В. (01.01.2005). «Молекулярная структура тройной спирали коллагена». Достижения в области химии белков . 70 : 301–339. дои : 10.1016/S0065-3233(05)70009-7 . ISBN 9780120342709 . ПМИД 15837519 . S2CID 20879450 .

[11] Теймер, Калифорния, Блуа, Калифорния, Фейгон Дж. (март 2005 г.). «Структура псевдоузла теломеразной РНК человека обнаруживает консервативные третичные взаимодействия, необходимые для функционирования» . Молекулярная клетка . 17 (5): 671–682. doi : 10.1016/j.molcel.2005.01.017 . ПМИД 15749017 .

[12] Браун Дж.А., Балкли Д., Ван Дж., Валенштейн М.Л., Ярио Т.А., Стейц Т.А., Стейц Дж.А. (июль 2014 г.). «Структурные данные о стабилизации некодирующей РНК MALAT1 с помощью двудольной тройной спирали» . Структурная и молекулярная биология природы . 21 (7): 633–640. дои : 10.1038/nsmb.2844 . ПМК 4096706 . ПМИД 24952594 .

[13] Тораби С.Ф., Вайдья А.Т., Тыковски К.Т., ДеГрегорио С.Дж., Ван Дж., Шу, доктор медицинских наук и др. (февраль 2021 г.). «Стабилизация РНК с помощью кармана связывания 3'-конца поли(А)-хвоста и других способов взаимодействия поли(А)-РНК» . Наука . 371 (6529): eabe6523. дои : 10.1126/science.abe6523 . ПМЦ 9491362 . ПМИД 33414189 . S2CID 231195473 .

[14] Куо CC, Ханзельманн С., Сентюрк Четин Н., Франк С., Зайзон Б., Деркс Дж.П. и др. (апрель 2019 г.). «Обнаружение сайтов связывания РНК-ДНК в длинных некодирующих РНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 47 (6): е32. дои : 10.1093/nar/gkz037 . ПМК 6451187 . ПМИД 30698727 .

[15] Чжан Ю, Лонг Ю, Кво К.К. (ноябрь 2020 г.). «Триплекс ДНК:РНК на основе глубокого обучения формирует потенциальное предсказание» . БМК Биоинформатика . 21 (1): 522. дои : 10.1186/s12859-020-03864-0 . ПМЦ 7663897 . ПМИД 33183242 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]