Четвертичная структура нуклеиновой кислоты
нуклеиновой кислоты Четвертичная структура относится к взаимодействиям между отдельными молекулами нуклеиновой кислоты или между молекулами нуклеиновой кислоты и белками . Эта концепция аналогична четвертичной структуре белка , но поскольку аналогия не идеальна, этот термин используется для обозначения ряда различных концепций нуклеиновых кислот и встречается реже. [1] Аналогично другие биомолекулы , такие как белки и нуклеиновые кислоты, имеют четыре уровня структурной организации: первичную , вторичную , третичную и четвертичную структуру . Первичная структура представляет собой линейную последовательность нуклеотидов , вторичная структура включает небольшие локальные мотивы сворачивания, а третичная структура представляет собой трехмерную сложенную форму молекулы нуклеиновой кислоты. В общем, четверичная структура относится к трехмерным взаимодействиям между несколькими субъединицами . В случае нуклеиновых кислот четвертичная структура относится к взаимодействиям между несколькими молекулами нуклеиновых кислот или между нуклеиновыми кислотами и белками. Четвертичная структура нуклеиновой кислоты важна для понимания ДНК , РНК и экспрессии генов , поскольку четверичная структура может влиять на функцию. Например, когда ДНК упакована в гетерохроматин и поэтому имеет четвертичную структуру, транскрипция гена будет ингибироваться.
ДНК
[ редактировать ]Четвертичная структура ДНК используется для обозначения связывания ДНК с гистонами с образованием нуклеосом более высокого порядка . хроматина , а затем их организации в волокна [2] Четвертичная структура ДНК сильно влияет на то, насколько доступна последовательность ДНК транскрипционному аппарату для экспрессии генов. Четвертичная структура ДНК меняется со временем, поскольку участки ДНК конденсируются или подвергаются транскрипции. Этот термин также использовался для описания иерархической сборки строительных блоков искусственных нуклеиновых кислот, используемых в нанотехнологиях ДНК . [3]
Четвертичная структура ДНК относится к образованию хроматина. Поскольку геном человека очень велик, ДНК должна быть конденсирована в хроматин, который состоит из повторяющихся единиц, известных как нуклеосомы . Нуклеосомы содержат ДНК и белки, называемые гистонами . Ядро нуклеосомы обычно содержит около 146 пар оснований ДНК, обернутых вокруг октамера гистонов . [4] Гистоновый октамер состоит из восьми гистоновых белков, по два каждого из следующих белков: H2A, H2B, H3 и H4. [5] Гистоны в первую очередь ответственны за формирование нуклеосом, тем самым внося значительный вклад в структуру хроматина. [4] Гистоновые белки заряжены положительно и поэтому могут взаимодействовать с отрицательно заряженным фосфатным остовом ДНК. [5] Одна часть основных белков гистонов, известная как хвостовые домены гистонов, чрезвычайно важна для удержания нуклеосомы плотно обернутой и придания нуклеосоме вторичной и третичной структуры. Это связано с тем, что хвостовые домены гистонов участвуют во взаимодействиях между нуклеосомами. Линкерный гистон, или белок H1, также участвует в поддержании структуры нуклеосомы. Белок H1 играет особую роль в обеспечении того, чтобы ДНК оставалась плотно накрученной. [4]
Модификации белков-гистонов и их ДНК относятся к четвертичной структуре. Конденсированный хроматин, гетерохроматин , предотвращает транскрипцию генов. Другими словами, транскрипционные факторы не могут получить доступ к раневой ДНК. [6] В этом отличие от эухроматина , который деконденсирован и, следовательно, легко доступен для транскрипционного аппарата. Метилирование ДНК до нуклеотидов влияет на четвертичную структуру хроматина. Высокометилированные нуклеотиды ДНК чаще встречаются в гетерохроматине, тогда как неметилированные нуклеотиды ДНК чаще встречаются в эухроматине. Кроме того, в основные домены хвоста гистонов могут быть внесены посттрансляционные модификации, которые приводят к изменениям в четвертичной структуре ДНК и, следовательно, к экспрессии генов. Ферменты , известные как эпигенетические «писатели» и «эпигенетические ластики», катализируют либо добавление, либо удаление нескольких модификаций в хвостовых доменах гистонов. Например, автор фермента может метилировать лизин-9 корового белка H3, который находится в хвостовом домене гистона H3. Это может привести к репрессии генов, поскольку хроматин ремоделируется и становится похожим на гетерохроматин. Однако в хвостовые домены гистонов можно внести десятки модификаций. Следовательно, именно сумма всех этих модификаций определяет, будет ли хроматин напоминать гетерохроматин или эухроматин. [7]
РНК
[ редактировать ]РНК подразделяется на множество категорий, включая информационную РНК ( мРНК ), рибосомальную РНК ( рРНК ), транспортную РНК ( тРНК ), длинную некодирующую РНК ( днРНК ) и несколько других малых функциональных РНК. В то время как многие белки имеют четвертичную структуру, большинство молекул РНК имеют только первичную или третичную структуру и функционируют как отдельные молекулы, а не как многосубъединичные структуры. [1] Некоторые типы РНК имеют четкую четвертичную структуру, необходимую для функционирования, тогда как другие типы РНК функционируют как отдельные молекулы и не связываются с другими молекулами с образованием четверичных структур. Симметричные комплексы молекул РНК встречаются крайне редко по сравнению с белковыми олигомерами . [1] Одним из примеров гомодимера РНК является рибозим VS из Neurospora которого , два активных центра состоят из нуклеотидов обоих мономеров. [9] Самым известным примером того, как РНК образует четвертичные структуры с белками, является рибосома , которая состоит из множества рРНК , поддерживаемых рпротеинами . [10] [11] Подобные комплексы РНК-белок обнаружены и в сплайсосоме .
Рибопереключатели
[ редактировать ]Рибопереключатели представляют собой тип структуры мРНК, которая помогает регулировать экспрессию генов и часто связывает разнообразный набор лигандов . Рибопереключатели определяют, как экспрессия генов реагирует на различные концентрации малых молекул в клетке. [12] Этот мотив наблюдался во флавинмононуклеотиде (FMN), циклическом ди-АМФ (c-ди-АМФ) и глицине . Говорят, что рибопереключатели имеют псевдочетвертичную структуру. Несколько структурно сходных участков одной молекулы РНК складываются симметрично. Поскольку эта структура возникает из одной молекулы, а не из множества отдельных молекул, ее нельзя назвать истинной четвертичной структурой. [1] В зависимости от того, где связывается рибопереключатель и как он устроен, он может подавлять или обеспечивать экспрессию гена. [12] Симметрия является важной частью биомолекулярных трехмерных конфигураций. Многие белки симметричны на уровне четвертичной структуры, но РНК редко имеют симметричную четвертичную структуру. Несмотря на то, что третичная структура является вариантной и существенной для всех типов РНК, олигимеризация РНК происходит относительно редко. [1]
рРНК
[ редактировать ]Рибосомы , органеллы , отвечающие за трансляцию белков , состоят из рРНК и белков. Рибосомы могут быть лучшим и наиболее распространенным примером четвертичной структуры нуклеиновых кислот. Специфика структуры рибосом варьируется в зависимости от царства и вида, но все рибосомы состоят из большой субъединицы и маленькой единицы. Различные классы организмов имеют рибосомальные субъединицы разных характерных размеров. Трехмерная ассоциация рибосомальных субъединиц важна для функции рибосом. Малая субъединица сначала связывается с мРНК, а затем рекрутируется большая субъединица. Для образования полипептида должна произойти правильная ассоциация мРНК и обеих субъединиц рибосомы.Слева: вторичная структура рРНК в пептидилтрансферазном центре рибосомы дрожжей. Центр пептидилтрансферазы — это место, где образование пептидной связи катализируется во время трансляции. Справа: трехмерная структура пептидилтрансферазного центра. Спиральная рРНК связана с глобулярными рибосомальными белками. Входящие кодоны достигают сайта A и перемещаются в сайт P, где катализируется образование пептидной связи.Одной специфической трехмерной структурой, которая обычно наблюдается в рРНК, является А-минорный мотив. Существует четыре типа мотивов ля минор, каждый из которых включает множество непарных мотивов. аденозины . Эти одиночные аденозины простираются наружу и позволяют молекулам РНК связывать другие нуклеиновые кислоты в малой бороздке . [1]
тРНК
[ редактировать ]Хотя в тРНК наблюдаются консенсусные вторичные и третичные структуры, до сих пор не было доказательств того, что тРНК создают четвертичную структуру. [1] Следует отметить, что с помощью изображений с высоким разрешением было обнаружено, что тРНК взаимодействует с четвертичной структурой бактериальной 70S рибосомы и других белков. [13] [12]
Другие малые РНК
[ редактировать ]мРНК
[ редактировать ]РНК бактериофага φ29 ( pRNA ) обладает способностью образовывать четвертичную структуру. [1] рРНК способна образовывать четвертичную структуру путем олигимеризации с образованием капсида , окружающего геномную ДНК бактериофага. Несколько молекул пРНК окружают геном, и посредством стекинговых взаимодействий и спаривания оснований пРНК окружают и защищают ДНК. [1] Кристаллографические исследования показывают, что пРНК образует тетрамерные кольца, хотя крио-ЭМ предполагают, что пРНК может также образовывать пентамерные кольца. структуры [14]
Мотив «Поцелуйная петля»
[ редактировать ]В этой модели, основанной на метилтрансферазе вируса Денге, четыре мономера метилтрансферазы окружают два октамера РНК. Ассоциации нуклеиновых кислот демонстрируют мотив целующейся петли.Трехмерный складной мотив, известный как петля для поцелуев. На этой диаграмме две модели петли поцелуя наложены друг на друга, чтобы показать структурное сходство. Белый остов и розовые основания принадлежат B. subtilis , а серый остов и синие основания — от V. vulnificus .
Мотив целующейся петли наблюдался в ретровирусах и РНК, кодируемых плазмидами . [12] Определение количества целующихся петель для формирования капсида варьируется от 5 до 6. Было показано, что пять целующихся петель обладают более высокой стабильностью из-за особой симметрии, которую обеспечивает структура из пяти целующихся петель.
Малая ядерная РНК
[ редактировать ]Малая ядерная РНК ( мяРНК ) соединяется с белками, образуя сплайсосому в ядре . Сплайсосома отвечает за распознавание и вырезание интронов из пре-мРНК , что является одним из первых этапов процессинга мРНК . Сплайсосома представляет собой крупный макромолекулярный комплекс. Четвертичная структура позволяет мяРНК обнаруживать последовательности мРНК, которые необходимо вырезать. [15]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Джонс CP, Ферре-Д'Амаре AR (апрель 2015 г.). «Четвертичная структура РНК и глобальная симметрия» . Тенденции биохимических наук . 40 (4): 211–20. дои : 10.1016/j.tibs.2015.02.004 . ПМК 4380790 . ПМИД 25778613 .
- ^ Сипсский М.Л., Вагнер Т.Э. (март 1977 г.). «Изучение четвертичной упорядоченности ДНК с помощью спектроскопии кругового дихроизма: исследование хромосомных волокон сперматозоидов лошадей». Биополимеры . 16 (3): 573–82. дои : 10.1002/bip.1977.360160308 . ПМИД 843604 . S2CID 35930758 .
- ^ Хворос А, Джагер, Люк (2007). «Фолдамеры нуклеиновых кислот: проектирование, разработка и выбор программируемых биоматериалов со свойствами распознавания, каталитическими свойствами и свойствами самосборки». В Hecht S, Huc I (ред.). Фолдамеры: структура, свойства и применение . Вайнхайм: Wiley-VCH-Verl. стр. 298–299. ISBN 978-3-527-31563-5 .
- ^ Перейти обратно: а б с Каттер А.Р., Хейс Дж.Дж. (октябрь 2015 г.). «Краткий обзор структуры нуклеосомы» . Письма ФЭБС . 589 (20 ч. А): 2914–22. дои : 10.1016/j.febslet.2015.05.016 . ПМЦ 4598263 . ПМИД 25980611 .
- ^ Перейти обратно: а б Аннунциато А (2008). «Упаковка ДНК: нуклеосомы и хроматин» . Природное образование . 1 (1): 26.
- ^ Дагган Н.М., Тан ЗИ (2010). «Формирование гетерохроматина и РНК-интерференция» . Природное образование . 3 (9): 5.
- ^ Гриффитс А (2015). Введение в генетический анализ . WH Фриман и компания. ISBN 978-1464109485 .
- ^ Аппасами С.Д., Рамлан Э.И., Фирдаус-Раих М (5 сентября 2013 г.). «Сравнительный анализ последовательности и структуры выявляет консервативность и разнообразие положений нуклеотидов и связанные с ними третичные взаимодействия в рибопереключателях» . ПЛОС ОДИН . 8 (9): e73984. Бибкод : 2013PLoSO...873984A . дои : 10.1371/journal.pone.0073984 . ПМЦ 3764141 . ПМИД 24040136 .
- ^ Суслов Н.Б., ДасГупта С., Хуанг Х., Фуллер-младший, Лилли Д.М., Райс П.А., Пичирилли Дж.А. (ноябрь 2015 г.). «Кристаллическая структура сателлитного рибозима Варкуд» . Химическая биология природы . 11 (11): 840–6. дои : 10.1038/nchembio.1929 . ПМЦ 4618023 . ПМИД 26414446 .
- ^ Ноллер Х.Ф. (1984). «Структура рибосомальной РНК». Ежегодный обзор биохимии . 53 : 119–62. дои : 10.1146/annurev.bi.53.070184.001003 . ПМИД 6206780 . S2CID 36722002 .
- ^ Ниссен П., Ипполито Дж.А., Бан Н., Мур П.Б., Стейц Т.А. (апрель 2001 г.). «Третичные взаимодействия РНК в большой субъединице рибосомы: А-минорный мотив» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (9): 4899–903. Бибкод : 2001PNAS...98.4899N . дои : 10.1073/pnas.081082398 . ПМК 33135 . ПМИД 11296253 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Чен Ю, Варани Дж. (2010), «Структура РНК», eLS , Американское онкологическое общество, doi : 10.1002/9780470015902.a0001339.pub2 , ISBN 9780470015902
- ^ Келер С, Раунд А, Симадер Х, Сак Д, Свергун Д (январь 2013 г.). «Четвертичная структура дрожжевого комплекса Arc1p-аминоацил-тРНК-синтетаза в растворе и его уплотнение при связывании тРНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (1): 667–76. дои : 10.1093/nar/gks1072 . ПМК 3592460 . ПМИД 23161686 .
- ^ Дин Ф., Лу С., Чжао В., Раджашанкар К.Р., Андерсон Д.Л., Джардин П.Дж. и др. (май 2011 г.). «Структура и сборка основного компонента кольца РНК мотора упаковки вирусной ДНК» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (18): 7357–62. Бибкод : 2011PNAS..108.7357D . дои : 10.1073/pnas.1016690108 . ПМК 3088594 . ПМИД 21471452 .
- ^ Уилл CL, Люрманн Р. (июль 2011 г.). «Структура и функции сплайсосом» . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 3 (7): а003707. doi : 10.1101/cshperspect.a003707 . ПМК 3119917 . ПМИД 21441581 .