21 manieren waarop uw DNA eruit zou kunnen zien

Inhoudsopgave:

21 manieren waarop uw DNA eruit zou kunnen zien
21 manieren waarop uw DNA eruit zou kunnen zien
Anonim

We zijn gewend om DNA te zien als een dubbele helix - maar dit is slechts een van de vele vormen. Sinds Watson en Crick hun model hebben gepubliceerd, hebben menselijke cellen een drievoudige en viervoudige DNA-helix gevonden, evenals kruisen, haarspelden en andere weefpatronen - sommige zijn gemakkelijker te tekenen dan in woorden te beschrijven.

Schets ideeën

Watson en Crick waren niet de enigen die zich verdiepten in het 3D-model van DNA. Ze waren niet eens de eersten. Restjes biochemische gegevens konden worden gebruikt om een verscheidenheid aan moleculaire vormen te construeren, en er waren veel opties.

De omstandigheden van het probleem waren voor iedereen hetzelfde. Begin 1953 was al duidelijk hoe het nucleotide werkt:

  • de rest van fosforzuur,
  • suiker,
  • een van de stikstofbasen: adenine (A), guanine (G), thymine (T) of cytosine (C).

Het was ook bekend dat stikstofbasen niet voor niets langs de keten waren verspreid: in elk DNA-molecuul was de totale hoeveelheid adenines en guanines strikt gelijk aan de hoeveelheid thymines en cytosines. Bovendien had in alle röntgenfoto's van Rosalind Franklin en Raymond Gosling, ongeacht welk stukje DNA erop was afgedrukt, het filament zelf dezelfde dikte. Dit betekende dat de vorm ongewijzigd blijft voor elke nucleotidesequentie.

Op basis van deze inleidende notities stelden Linus Pauling en Robert Corey hun model samen - een drievoudige helix boordevol stikstofhoudende basen aan alle kanten (biochemici hebben fosfaat en suiker toegewezen aan de rol van een interne kern). Dit ontwerp zag er instabiel uit: het was niet duidelijk waarom de negatief geladen fosfaatgroepen in het centrum van de spiraal elkaar niet afstoten.

Image
Image

DNA-structuur volgens Pauling en Corey

Bruce Fraser loste dit probleem op door de structuur binnenstebuiten te keren: in zijn versie keken drie draden naar buiten met fosfaten. De stikstofbasen waren naar binnen gekeerd, maar Fraser kon niet uitleggen hoe ze met elkaar verbonden waren.

Het Watson en Crick-model met een naar rechts gedraaide dubbele helix was het meest stabiel. Net als Fraser plaatsten de wetenschappers de fosfaten aan de buitenkant en de stikstofbasen aan de binnenkant. Er was ook een duidelijk principe van hun oppositie in dit model: A op het ene circuit was altijd verbonden met T op het andere, en G - met C. Dit verklaarde waarom de dikte van de structuur stabiel is - de paren AT en GC zijn ongeveer de zelfde maat.

Image
Image

Potloodschets van DNA-structuur door Francis Crick

Daarna waren er andere pogingen om DNA opnieuw samen te stellen tot een nieuwe vorm. De Nederlandse biochemicus Karst Hoogsteen merkte bijvoorbeeld op dat het mogelijk is om dezelfde paren nucleotiden met andere gezichten te verbinden - dus de helix bleef ook stabiel, maar bleek dunner. Andere auteurs hebben DNA afgebeeld als een spiraal met afwisselende bochten naar links en naar rechts, of zelfs als twee dubbele helices die een enkele viervoudige vormen. En hoewel het bestaan van de Watson-Crick dubbele helix sindsdien vele malen is bevestigd, blijven mensen in de 21e eeuw speculeren over welke vormen een DNA-streng aanneemt in een cel, waar het veel moeilijker is om het te zien dan in een test buis. Toegegeven, geen van de alternatieve ideeën tot nu toe is goed genoeg gebleken om de klassieke rechtshandige dubbele helix te verlaten.

Watson en Crick deden meer dan alleen de controverse over de vorm van DNA oplossen. Hun model legde meteen uit hoe dit formulier werkt: een één-op-één correspondentie maakt van elke thread een sjabloon voor de andere. Met slechts één van de ketens is het altijd mogelijk om de tweede erlangs te herstellen - alle moderne modellen van de overdracht van genetische informatie zijn gebaseerd op dit principe.

Desalniettemin bleken de meeste "afgewezen" ideeën op de een of andere manier juist te zijn. Gedurende bijna 70 jaar nauwlettend onderzoek van DNA zijn er bijna alle mogelijke soorten basisverbindingen, andere spiralen en zelfs een bocht naar links in gedetecteerd.

Oprollen naar de verkeerde plaats

De dubbele helix zelf kan op verschillende manieren worden gestructureerd. Dit werd opgemerkt door Rosalind Franklin, hoewel ze niet aannam dat er een spiraal voor haar was, en zelfs een dubbele. Onder normale omstandigheden, die lijkt op intracellulair, had het DNA op de foto's van de bioloog een "losse" vorm, die Franklin B-DNA noemde. Maar als de luchtvochtigheid in de reageerbuis onder de 75 procent kwam, was het resulterende A-DNA breder en dichter.

Image
Image

A (links) en B (rechts) vormen van DNA zoals gezien door Rosalind Franklin

Zoals later bleek, is A-DNA echt strakker gedraaid: er zijn 10 nucleotiden nodig om de helix te draaien, en niet 11, zoals in B-DNA. En ze bevinden zich niet loodrecht op de symmetrie-as van de spiraal, maar onder een hoek: als in B-DNA nucleotiden meestal worden weergegeven als horizontale lijnen, moeten ze in A-DNA schuin worden getekend.

Watson en Crick kozen B-DNA als basis voor hun model en hadden gelijk. Later bleek dat de B-variant eigenlijk veel vaker in de cel voorkomt, en nu wordt het beschouwd als de belangrijkste vorm van DNA-bestaan, en worden alle afwijkingen vaak aangeduid met de algemene term "niet-B-DNA".

Bovendien voldoet de echte dubbele helix bijna nooit aan zijn idyllische model. In levende systemen is B-DNA in de regel iets meer gedraaid dan Watson en Crick voorspelden, en het gemiddelde aantal nucleotiden per draaiing van een helix daarin is niet 10 of 11, maar ongeveer 10,5. Bovendien zijn individuele paren nucleotiden wijken constant af van de set "horizontaal" (dit wordt "propeller turn" genoemd), daarom is de spiraal nooit absoluut glad en gelijkmatig - hier en daar aan zijn zijkanten steekt ruwheid uit: de uiteinden van nucleotiden onder verschillende hoeken.

Image
Image

"Propeller" draai van nucleotiden in B-DNA

Later bleek dat de spiralen van de spiraal niet alleen strakker of meer ontspannen kunnen liggen, maar volledig tegen de klok in kunnen draaien (bijvoorbeeld de spiraal van de Evolution-toren in Moskou-stad, die duidelijk de DNA-streng symboliseert, is naar links gedraaid). Door een vreemd toeval is dit precies het soort DNA dat werd gezien in 1979, toen het eindelijk mogelijk was om nucleïnezuren met hoge resolutie te onderzoeken. Het was nog steeds een dubbele helix, maar in een heel andere vorm: 12 nucleotiden per draai, zelfs dunner dan B-DNA en niet naar rechts, maar naar links gedraaid. De fosfaatgroepen die aan het oppervlak uitstaken vormden geen gladde spiraal, maar een zigzag, dus de nieuwe versie werd de Z-vorm genoemd.

Image
Image

A-DNA (links), B-DNA (midden), Z-DNA (rechts)

Dit betekende natuurlijk niet dat het Watson-Crick-model fout was. De Z-vorm werd verkregen onder nogal exotische omstandigheden - in een oplossing met een hoge concentratie aan zouten. En in de cel wordt het ook alleen onder bepaalde omstandigheden uit B-DNA gehaald: bijvoorbeeld wanneer de "spanning" op de ketting te hoog is en deze moet worden vrijgegeven. De spanning verschijnt door overmatig draaien: de DNA-strengen zijn al ten opzichte van elkaar gewikkeld, maar de dubbele helix die ze vormen, windt zich rond een eiwit (bijvoorbeeld histon), er treedt zogenaamde supercoiling op. De overgang naar de Z-vorm helpt om spanning te verlichten en onnodige bochten af te wikkelen - en dit is op zijn beurt belangrijk zodat nieuwe eiwitten tijdens transcriptie aan DNA kunnen binden, bijvoorbeeld polymerase.

Daarom neemt DNA tijdens gentranscriptie vaak de Z-vorm aan. Bovendien, hoe meer Z-DNA er is, hoe actiever de transcriptie is. Histonen kunnen niet binden aan Z-DNA, dus niemand bemoeit zich met polymerase om hun werk te doen. En dit wordt trouwens actief gebruikt door tumorcellen, waarin op tijd een linkshandige helix verschijnt voor de genen die ze nodig hebben.

Image
Image

De Evolution Tower (voorgrond) lijkt op linkshandig DNA

Toen werden andere vormen van de dubbele helix gevonden. Afhankelijk van het vochtgehalte, het zoutgehalte en de nucleotidesequentie in een bepaalde regio, kan DNA nog meer langwerpig (E-DNA) of krimpen (C- en D-DNA), metaalionen (M-DNA) bevatten of uitgerekt worden zodat in plaats van stikstofbasen fosfaatgroepen (S-DNA) in het midden van de helix verschijnen. En nadat andere typen intracellulair DNA aan de lijst waren toegevoegd, zoals nucleair N-DNA en recombinant R-DNA (die echter niet vanwege hun vorm, maar vanwege hun plaats in de cel of oorsprong in deze lijst waren opgenomen), het Engelse alfabet voor de DNA-varianten, de letters zijn er bijna uit. Iedereen die besluit een meer niet-canonieke vorm te openen, moet kiezen uit vijf gratis: F, Q, U, V en Y.

Alfabetische lijst van DNA-vormen

  • A-DNA is dubbelstrengs, iets dikker dan B.
  • Het B-DNA is degene die Watson en Creek hebben gebouwd.
  • C-DNA is dubbelstrengs, 9, 3 nucleotiden per beurt.
  • D-DNA is dubbelstrengs, smal: 8 nucleotiden per beurt, bevat veel thymines.
  • E-DNA is dubbelstrengs, nog smaller: 15 nucleotiden per twee windingen.
  • G-DNA is een viervoudige helix met guanine-tetrads.
  • H-DNA is een drievoudige helix.
  • I-DNA bestaat uit twee dubbele helices die bij elkaar worden gehouden door de aantrekking van hun cytosines.
  • J-DNA is een andere drievoudige helix gevormd door AC-herhalingen.
  • K-DNA - DNA van trypanosomen, vooral rijk aan adenines.
  • L-DNA - DNA op basis van L-deoxyribose (niet D- zoals gebruikelijk).
  • M-DNA - B-DNA in een complex met tweewaardige metalen.
  • N-DNA is nucleair DNA.
  • O-DNA is het startpunt van DNA-verdubbeling in bacteriofaag λ.
  • P-DNA is de drievoudige helix van Pauling-Corey.
  • R-DNA - recombinant DNA (verkregen door een vreemd fragment in te voegen).
  • S-DNA is dubbelstrengs, langwerpig 1,6 keer sterker dan de B-vorm.
  • T-DNA - vergelijkbaar met de D-vorm, gevonden in de T2-bacteriofaag.
  • W-DNA is synoniem met Z-DNA.
  • X-DNA is een dubbelstrengs helix gevormd door AT-herhalingen.
  • Z-DNA is dubbelstrengs, linkshandig.

In de greep

Naast allerlei vormen van dubbele helix en manieren om het te weven, valt DNA soms uiteen in afzonderlijke strengen, die zich vormen in haarspelden, kruisen en andere dubbelstrengige vormen. Het komt ook voor dat een reeds bestaande dubbele helix wordt overwoekerd met nieuwe buren.

In 1985 bleek dat Pauling en Corey dertig jaar geleden gelijk hadden: de DNA triple helix (H-DNA) bestaat. Het is echter helemaal niet geregeld zoals ze hadden verwacht. In een echte drievoudige helix zijn twee kettingen verbonden op de standaard Watson-Crick-manier, en de derde grenst zijdelings aan ze, liggend in een grote groef tussen de kettingen. In dit geval zijn de stikstofbasen van de derde, extra draad niet op de klassieke manier met de hoofdparen verbonden, maar als van opzij - door de bindingen die Karst Hoogsteen voorspelde. In zekere zin had hij ook gelijk.

De drievoudige helix ontstaat, net als veel alternatieve vormen van DNA, ook als reactie op supercoiling van de streng. In tegenstelling tot de Z-vorm ondersteunt het echter geen transcriptie, maar interfereert het integendeel ermee. RNA-polymerase, dat gewoonlijk twee strengen voor zich losmaakt, kan de triplex niet altijd scheiden. Daarom, als een drievoudige helix wordt gevormd in een gen of de regulerende regio's, werkt deze slechter dan andere.

Image
Image

Varianten van de vorming van een drievoudige helix. Watson-Crick-paren zijn aangegeven in het zwart, het extra derde nucleotide is gemarkeerd

Het komt ook voor dat niet twee of niet drie, maar vier DNA-strengen tegelijk met elkaar verbonden zijn. Om dit te laten gebeuren, moeten vier guanine-nucleotiden op één plaats samenkomen - het maakt niet uit of ze zich op twee strengen van dezelfde streng bevinden of op vier verschillende strengen die niet met elkaar verbonden zijn. Elke guanine vormt een niet-klassiek Hoogsteenpaar met twee buren, en samen vormen ze een vierkante guanine-tetrad. Als er naast hen andere guanines zijn die een vierkant kunnen maken, dan wordt er een stapel van gevormd - een stapel met vier DNA-strengen ernaast.

Image
Image

Guanine tetrad (boven) en opties voor de rangschikking van kettingen in de quadruplex (onder)

Alle 30 jaar die zijn verstreken sinds de ontdekking van quadruplexen, groeit het aantal processen waarbij ze op de een of andere manier betrokken zijn. Er zijn al meer dan tweehonderd eiwitten bekend die selectief guanine-tetrads kunnen herkennen - de laatste spelen waarschijnlijk de rol van een soort genetische markup, een andere manier om de verpakking en transcriptie van genen te reguleren. Ze worden bijvoorbeeld vaak aangetroffen in promoters (regulerende regio's van waaruit de transcriptie begint) van verschillende genen. Meer recentelijk zijn wetenschappers er zelfs in geslaagd om verschillende soorten borstkanker te onderscheiden door middel van sets quadruplexen - die op hun beurt afhankelijk waren van welke genen in tumorcellen overactief waren.

Hoe verder we naar het DNA-molecuul kijken, hoe meer we afwijkingen opmerken van het al lang bekende model. De dubbele helix is niet de enige en niet de uiteindelijke structuur van DNA, maar slechts één (zij het de meest voorkomende) van de poses die het in een continue dans aanneemt. Gehoorzaam aan de voorschriften van de nucleotidesequentie, trekt de DNA-streng samen en zet uit, buigt, draait en neemt een oneindig aantal (prachtige) vormen aan. Geen van hen is definitief: alternatieve DNA-structuren transformeren in elkaar, concurreren met de B-vorm en met elkaar, gehoorzamen aan de signalen van cellulaire eiwitten en sturen zelf hun werk.

Vind en leid

Niet-canonieke vormen van DNA, ondanks al hun diversiteit, verschijnen niet op willekeurige plaatsen. Ze krijgen stabiliteit door een bepaalde reeks nucleotiden in hun samenstelling, daarom verschijnen ze alleen in die delen van de keten waar er een "handige" volgorde voor hen is.

Er zijn bijvoorbeeld bepaalde regio's in het DNA die bijzonder bereid zijn om in een zigzag te vouwen. Dit zijn de plaatsen waar G-C-paren elkaar afwisselen: na een bocht naar links neemt elke tweede nucleotide een "onregelmatige" vorm aan, vandaar het gebroken profiel van de hele Z-vorm. Dit betekent dat reeksen die de neiging hebben om de Z-vorm aan te nemen, direct in de tekst te vinden zijn - als u HZGZGZGZHZHZ ziet, is het onwaarschijnlijk dat u fout gaat. Zo telden ze in één werk bijvoorbeeld 391 van dergelijke regio's in het menselijk genoom.

De plaatsen waar de triple helix zich kan vormen zijn ook te herkennen aan de karakteristieke nucleotidesequentie. De derde keten is ofwel bevestigd volgens het principe van complementariteit - dat wil zeggen, een andere G wordt toegevoegd aan het G-C-paar, waardoor G-C * G wordt gevormd - of "op zichzelf" - en het blijkt G * G-C te zijn. Daarom komt een dergelijke constructie vaak voor op die plaatsen van DNA waar meerdere identieke (bijvoorbeeld YYYYG) of chemisch vergelijkbare (AGGAAG) nucleotiden op een rij gaan en waar ze palindroom (spiegel) herhalingen vormen.

Op dezelfde manier kan het uiterlijk van quadruplexen worden voorspeld uit de DNA-tekst. Volgens de resultaten van slechts één sequencing (in feite directe vertaling van DNA in letters), werden er meer dan 700 duizend gevonden in het menselijk genoom. Het is niet waarschijnlijk dat ze allemaal in vivo worden gevonden - hiervoor moeten de overeenkomstige DNA-strengen op één punt in de complexe celkern dicht bij elkaar zijn - dit kan echter betekenen dat de vier-helixstructuren een specifieke rol spelen in het leven van de cel.

De vorming van alternatieve vormen van DNA is niet altijd gunstig voor de cel: de meeste zijn veel minder duurzaam dan gewoon B-DNA en breken veel vaker. Daarom worden sequenties die de neiging hebben om niet-B-vormen te vormen plaatsen van genetische instabiliteit en verhoogde mutagenese. Sommige onderzoekers zien dit als de motor van evolutie - als dergelijke regio's voorkomen in genen die verband houden met de ontwikkeling van een organisme. Anderen geven alternatieve vormen van DNA de schuld van allerlei ziekten die samenhangen met willekeurige mutaties en herschikkingen in het genoom - van tumoren tot schizofrenie en autisme.

Het blijkt dat DNA naast de Watson-Crick-standaard niet alleen informatie bevat over de opbouw van cellulaire eiwitten en RNA, maar ook welke vormen deze informatie kan aannemen. En deze vormen bepalen op hun beurt wat er met deze informatie gebeurt: of de cel het kan realiseren of het gen, zal voor altijd stil zijn, of zelfs helemaal kapot gaan, wat aanleiding geeft tot enkele extra mutaties.

We zullen waarschijnlijk ooit leren om dit proces te verstoren - we zouden bijvoorbeeld een keten van nucleotiden kunnen bouwen die de derde streng in de helix zou nabootsen en deze op het juiste moment op de juiste plaats zouden "schuiven" om het werk van een ongewenst gen in de cel. Er waren zelfs gedurfdere voorstellen - om de drievoudige helix te gebruiken voor gerichte genoombewerking: een nucleotide in de cel introduceren die een drievoudige helix kan vormen met het doel-DNA-gebied en het reparatiesysteem ertoe brengen dit gebied te vervangen door een "gezonde" variant van een ander chromosoom.

En terwijl we dit nog maar net leren, moeten we nog de structuur van DNA herkennen als een ander type informatie - naast genetische (nucleotide "tekst") en epigenetische (beschikbaarheid van genen om te lezen) - die ons genoom draagt. En we moeten er nog mee leren werken, de inhoud via de vorm beïnvloeden, of andersom.

Aanbevolen: