Устаревшие модели структуры ДНК
Помимо разнообразия проверенных структур ДНК , существует ряд предложенных моделей ДНК, которые либо были опровергнуты, либо не имеют достаточных доказательств.
структура Некоторые из этих структур были предложены в 1950-х годах до того, как была раскрыта двойной спирали , наиболее известная из которых — Лайнус Полинг. Неспиральные или «бок о бок» модели ДНК были предложены в 1970-х годах для решения проблем, которые на тот момент казались проблемами топологии кольцевых хромосом ДНК во время репликации (впоследствии решенными благодаря открытию ферментов, которые изменяют топологию ДНК). ). [ 1 ] Они также были отклонены из-за накопления экспериментальных данных, полученных в результате рентгеновской кристаллографии , ЯМР раствора и атомно-силовой микроскопии (как отдельной ДНК, так и связанной с ДНК-связывающими белками ). Хотя существуют локализованные или временные недуплексные спиральные структуры, [ 2 ] неспиральные модели в настоящее время не принимаются основным научным сообществом. [ 3 ] Наконец, существует устойчивый набор современных маргинальных теорий, предлагающих целый ряд ничем не подтвержденных моделей.
До структуры Уотсона-Крика
[ редактировать ]Двойная спираль ДНК была открыта в 1953 году. [ 4 ] (с более подробной информацией в 1954 г. [ 5 ] ) на основе рентгеновских дифракционных изображений ДНК (в первую очередь фотография 51 , сделанная Рэймондом Гослингом и Розалиндой Франклин) . [ 6 ] ), а также о спаривании оснований . химическую и биохимическую информацию [ 7 ] [ 8 ] До этого рентгеновские данные, собранные в 1950-х годах, указывали на то, что ДНК образовывала своего рода спираль, но еще не было обнаружено, какова точная структура этой спирали. Поэтому было предложено несколько структур, которые позже были опровергнуты данными, подтверждающими дуплекс ДНК. Самая известная из этих ранних моделей была предложена Лайнусом Полингом и Робертом Кори в 1953 году, в которой они предложили тройную спираль с фосфатным остовом внутри и нуклеотидными основаниями, направленными наружу. [ 9 ] [ 10 ] В целом аналогичная, но детальная структура была предложена Брюсом Фрейзером в том же году. [ 11 ] Однако вскоре Уотсон и Крик выявили несколько проблем с этими моделями:
- Отрицательно заряженные фосфаты вблизи оси отталкивают друг друга, оставляя вопрос о том, как трехцепочечная структура остается целостной.
- В модели тройной спирали (особенно в модели Полинга и Кори) некоторые расстояния Ван-дер-Ваальса кажутся слишком маленькими.
Первоначальная обнаруженная модель двойной спирали, которая теперь называется ДНК B-формы, на сегодняшний день является наиболее распространенной конформацией в клетках. [ 12 ] В 1970-х годах были идентифицированы две дополнительные, более редкие спиральные конформации, которые также встречаются в природе: ДНК A-формы и ДНК Z-формы . [ 13 ]
Предложения по неспиральной структуре
[ редактировать ]До открытия топоизомераз
[ редактировать ]Даже после того, как структура дуплекса ДНК была решена, изначально оставался открытым вопрос, нужны ли дополнительные структуры ДНК для объяснения ее общей топологии. Первоначально были вопросы о том, как это может повлиять на репликацию ДНК. В 1963 году авторадиограммы хромосомы E. coli показали , что это одна кольцевая молекула , которая реплицируется в паре репликационных вилок , на которых синтезируются обе новые цепи ДНК. [ 15 ] Таким образом, две дочерние хромосомы после репликации будут топологически связаны. Разделение двух связанных дочерних цепей ДНК во время репликации либо требовало, чтобы ДНК имела нулевую спиральную закрутку, либо чтобы нити были разрезаны, перекрещены и снова соединены. Именно эти очевидные противоречия пытались разрешить ранние неспиральные модели, пока открытие топоизомераз в 1970 году не решило проблему. [ 16 ] [ 17 ]
В 1960-х и 1970-х годах была выдвинута гипотеза о ряде структур, которые могли бы обеспечить нулевую спиральную закрутку по всей длине ДНК, либо будучи полностью прямыми на всем протяжении, либо чередуя правые и левые спиральные закрутки. [ 18 ] [ 19 ] Например, в 1969 году была выдвинута гипотеза о линейной структуре тетрамера: [ 14 ] а в 1976 году двумя разными группами независимо была предложена структура с чередующимися участками правой и левой спирали. [ 20 ] [ 21 ] Первоначально была представлена модель чередующихся витков, в которой спиральность менялась каждые пол-оборота, но позже были предложены длинные участки каждого направления спирали. [ 22 ] Однако эти модели страдали от отсутствия экспериментальной поддержки. [ 23 ] При скручивающем стрессе структура Z-ДНК может сформироваться с закручиванием, противоположным B-форме ДНК, но в клеточной среде это случается редко. [ 24 ] Открытие топоизомераз и гираз , ферментов, которые могут изменять число связей кольцевых нуклеиновых кислот и, таким образом, «раскручивать» и «перематывать» реплицирующуюся бактериальную хромосому, разрешило топологические возражения против спиральной структуры ДНК В-формы. [ 25 ] Действительно, в отсутствие этих ферментов, изменяющих топологию, небольшая кольцевая вирусная и плазмидная ДНК представляют собой неразделимую опорную структуру, нити которой топологически сцеплены вместе. [ 26 ]
Поэтому предложения о неспиральной ДНК исчезли из основной науки. [ 3 ] [ 16 ]
Подтверждение спиральной структуры
[ редактировать ]Первоначально возник вопрос, являются ли решенные структуры ДНК артефактами использованных методов рентгеновской кристаллографии. Однако впоследствии структура ДНК была подтверждена в растворе методами гель-электрофореза. [ 27 ] и позже методом ЯМР раствора [ 28 ] и АФМ [ 29 ] что указывает на то, что процесс кристаллографии не исказил его. Структура ДНК в комплексе с нуклеосомами , хеликазами и многими другими ДНК-связывающими белками также подтверждает ее биологическую значимость in vivo . [ 30 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Стоукс, Т.Д. (1982). «Двойная спираль и искривленная молния — образцовая история». Социальные исследования науки . 12 (2): 207–240. дои : 10.1177/030631282012002002 . ПМИД 11620855 . S2CID 29369576 .
- ^ Синден, Ричард Р. (1994). «Разные альтернативные конформации ДНК». Структура и функции ДНК . Эльзевир. стр. 259–286. дои : 10.1016/b978-0-08-057173-7.50012-2 . ISBN 9780080571737 .
- ^ Перейти обратно: а б Гаутам, Н. (2004). «Ответ на «Разнообразие вторичной структуры ДНК» » (PDF) . Современная наука . 86 (10): 1352–1353.
Однако открытие топоизомераз сняло остроту топологического возражения против плектонемической двойной спирали. Более позднее решение монокристаллической рентгеновской структуры коровой частицы нуклеосомы показало почти 150 пар оснований ДНК (т.е. около 15 полных оборотов) со структурой, которая во всех существенных отношениях совпадает со структурой модели Уотсона-Крика. . Это нанесло смертельный удар идее о том, что другие формы ДНК, особенно двуспиральная ДНК, существуют как нечто иное, чем локальные или временные структуры.
- ^ Уотсон, доктор медицинских наук ; Крик, Ф. (1953). «Структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы» (PDF) . Природа . 171 (4356): 737–8. Бибкод : 1953Natur.171..737W . дои : 10.1038/171737a0 . ПМИД 13054692 . S2CID 4253007 .
- ^ Крик Ф. и Уотсон Дж. Д. (1954). «Комплементарная структура дезоксирибонуклеиновой кислоты» (PDF) . Труды Лондонского королевского общества . 223А (1152): 80–96. Бибкод : 1954RSPSA.223...80C . дои : 10.1098/rspa.1954.0101 . S2CID 45478298 .
- ^ «История фотографии 51 | Репортаж из Королевского колледжа Лондона» . www.kcl.ac.uk. Проверено 29 августа 2023 г.
- ^ Магасаник Б., Вишер Э., Донигер Р., Элсон Д., Чаргафф Э. (1950). «Разделение и оценка рибонуклеотидов в ничтожных количествах» . Ж. Биол. хим. 186 (1): 37–50. дои : 10.1016/S0021-9258(18)56284-0 . ПМИД 14778802 .
- ^ Чаргафф Э (1950). «Химическая специфичность нуклеиновых кислот и механизм их ферментативной деградации». Эксперименты . 6 (6): 201–209. дои : 10.1007/BF02173653 . ПМИД 15421335 . S2CID 2522535 .
- ^ Полинг Л., Кори Р.Б. (февраль 1953 г.). «Предлагаемая структура нуклеиновых кислот» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 39 (2): 84–97. Бибкод : 1953ПНАС...39...84П . дои : 10.1073/pnas.39.2.84 . ПМЦ 1063734 . ПМИД 16578429 .
- ^ Полинг Л., Кори Р.Б. (февраль 1953 г.). «Строение нуклеиновых кислот» . Природа . 171 (4347): 346. Бибкод : 1953Natur.171..346P . дои : 10.1038/171346a0 . ПМИД 13036888 . S2CID 4151877 .
- ^ Фрейзер Б. (1953). «Структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы» . Журнал структурной биологии . 145 (3): 184–5. дои : 10.1016/j.jsb.2004.01.001 . ПМИД 14997898 .
- ^ Ричмонд Т.Дж., Дэйви, Калифорния (2003). «Строение ДНК в ядре нуклеосомы». Природа . 423 (6936): 145–50. Бибкод : 2003Natur.423..145R . дои : 10.1038/nature01595 . ПМИД 12736678 . S2CID 205209705 .
- ^ Синден, Ричард Р. (1994). Структура и функции ДНК . Сан-Диего: Академическая пресса . ISBN 0126457506 . ОСЛК 30109829 .
- ^ Перейти обратно: а б Ву, Тай Те (1969). «Вторичные структуры ДНК» . Труды Национальной академии наук . 63 (2): 400–405. дои : 10.1073/pnas.63.2.400 . ISSN 0027-8424 . ПМК 223578 . ПМИД 5257129 .
- ^ Кэрнс, Дж. (1963). «Бактериальная хромосома и способ ее репликации, как видно с помощью авторадиографии». Дж. Мол. Биол. 6 (3): 208–13. дои : 10.1016/s0022-2836(63)80070-4 . ПМИД 14017761 .
- ^ Перейти обратно: а б Бигелайзен К (2002). «Топологически несвязанная кольцевая дуплексная ДНК». Бык. Математика. Биол. 64 (3): 589–609. CiteSeerX 10.1.1.573.5418 . дои : 10.1006/bulm.2002.0288 . ПМИД 12094410 . S2CID 13269612 .
- ^ Ван, JC (2002). «Клеточная роль ДНК-топоизомераз: молекулярная перспектива». Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 3 (6): 430–440. дои : 10.1038/nrm831 . ISSN 1471-0072 . ПМИД 12042765 . S2CID 205496065 .
- ^ Перейти обратно: а б Родли Г.А., Скоби Р.С., Бейтс Р.Х., Левитт Р.М. (1976). «Возможная конформация двухцепочечных полинуклеотидов» . Учеб. Натл. акад. наук. США 73 (9): 2959–63. Бибкод : 1976PNAS...73.2959R . дои : 10.1073/pnas.73.9.2959 . ПМК 430891 . ПМИД 1067594 .
- ^ Сасисэхаран, В. ; Паттабираман, Н. (1976). «Полинуклеотиды двойного стандарта: две типичные альтернативные конформации нуклеиновых кислот» (PDF) . Курс. наук. 45 : 779–783.
- ^ Сасисэхаран, В. ; Паттабираман, Н. (1976). «Двухцепочечные полинуклеотиды: две типичные альтернативные конформации нуклеиновых кислот». Современная наука . 45 : 779–783.
- ^ Сасисэхаран, В. ; Паттабираман, Н.; Гупта, Г. (1978). «Некоторые последствия альтернативной структуры ДНК» . Учеб. Натл. акад. наук. США 75 (9): 4092–6. Бибкод : 1978PNAS...75.4092S . дои : 10.1073/pnas.75.9.4092 . ПМК 336057 . ПМИД 279899 .
- ^ Родли, Джорджия (1995). «Пересмотр некоторых результатов для линейной и кольцевой ДНК». Журнал биологических наук . 20 (2): 245–257. дои : 10.1007/BF02703272 . S2CID 40531350 .
- ^ Крик, Флорида ; Ван, Джей Си ; Бауэр, WR (1979). «Действительно ли ДНК представляет собой двойную спираль?» (PDF) . Дж. Мол. Биол. 129 (3): 449–457. дои : 10.1016/0022-2836(79)90506-0 . ПМИД 458852 .
- ^ Рич, Александр; Чжан, Шугуан (2003). «Z-ДНК: долгий путь к биологической функции». Обзоры природы Генетика . 4 (7): 566–572. дои : 10.1038/nrg1115 . ISSN 1471-0064 . ПМИД 12838348 . S2CID 835548 .
- ^ Кестхейи, Андреа; Минчелл, Никола; Бакстер, Джонатан (2016). «Причины и последствия топологического стресса во время репликации ДНК» . Гены . 7 (12): 134. doi : 10.3390/genes7120134 . ISSN 2073-4425 . ПМК 5192510 . ПМИД 28009828 .
- ^ Виноград Дж., Лебовиц Дж., Радлофф Р., Уотсон Р., Лайпис П. (1965). «Скрученная кольцевая форма ДНК вируса полиомы» . Учеб. Натл. акад. наук. США 53 (5): 1104–11. Бибкод : 1965ПНАС...53.1104В . дои : 10.1073/pnas.53.5.1104 . ПМК 301380 . ПМИД 4287964 .
- ^ Ван, JC (1979). «Спиральный повтор ДНК в растворе» . Труды Национальной академии наук . 76 (1): 200–203. Бибкод : 1979PNAS...76..200W . дои : 10.1073/pnas.76.1.200 . ISSN 0027-8424 . ПМК 382905 . ПМИД 284332 .
- ^ Гош, Анирбан; Кар, Раджив Кумар; Джана, Джаганнатх; Саха, Абхиджит; Джана, Батакришна; Кришнамурти, Джанартанан; Кумар, Динеш; Гош, Сураджит; Чаттерджи, Субхрангсу (2014). «Индолицидин нацелен на дуплексную ДНК: структурное и механистическое понимание посредством комбинации спектроскопии и микроскопии». ХимМедХим . 9 (9): 2052–2058. дои : 10.1002/cmdc.201402215 . hdl : 2027.42/108345 . ISSN 1860-7179 . ПМИД 25044630 . S2CID 33138700 .
- ^ Пайн, Элис; Томпсон, Рут; Люнг, Карл; Рой, Дебдулал; Хугенбум, Барт В. (2014). «Одномолекулярная реконструкция вторичной структуры олигонуклеотида методом атомно-силовой микроскопии» (PDF) . Маленький . 10 (16): 3257–3261. дои : 10.1002/smll.201400265 . ISSN 1613-6829 . ПМИД 24740866 . S2CID 5050707 .
- ^ Моргунова Е.; Тайпале, Дж. (2017). «Структурная перспектива кооперативного связывания факторов транскрипции» . Современное мнение в области структурной биологии . Белково-нуклеиновые взаимодействия • Катализ и регуляция. 47 : 1–8. дои : 10.1016/j.sbi.2017.03.006 . ISSN 0959-440X . ПМИД 28349863 .