Вторичная структура нуклеиновой кислоты - Nucleic acid secondary structure

Первичная структура нуклеиновой кислотыДвойная спираль нуклеиновой кислотыСтебель-петляПсевдоузелТретичная структура нуклеиновой кислотыЧетвертичная структура нуклеиновой кислоты
Изображение выше содержит интерактивные ссылки
Интерактивное изображение из структура нуклеиновой кислоты (первичный, вторичный, третичный и четвертичный) с использованием Спирали ДНК и примеры из VS рибозим и теломераза и нуклеосома. (PDB: ADNA, 1BNA, 4OCB, 4R4V, 1YMO, 1EQZ​)

Вторичная структура нуклеиновой кислоты это спаривание оснований взаимодействия в рамках одного нуклеиновая кислота полимер или между двумя полимерами. Его можно представить в виде списка оснований, которые спарены в молекуле нуклеиновой кислоты.[1]Вторичные структуры биологических ДНК 'песок РНК имеют тенденцию быть разными: биологическая ДНК в основном существует в полной мере. базовая пара двойные спирали, в то время как биологическая РНК является одноцепочечной и часто образует сложные и замысловатые взаимодействия спаривания оснований из-за ее повышенной способности образовывать водородные связи вытекающие из дополнительных гидроксил группа в рибоза сахар.

В небиологическом контексте вторичная структура является жизненно важным фактором дизайн нуклеиновой кислоты структур нуклеиновых кислот для ДНК-нанотехнологии и ДНК-вычисления, так как характер спаривания оснований в конечном итоге определяет общую структуру молекул.

Основные концепции

Базовая пара

Вершина, пара оснований AT, демонстрирующая две межмолекулярные водородные связи; Нижний, пара оснований GC демонстрирует три межмолекулярных водородные связи.
Основная статья: Базовая пара

В молекулярная биология, два нуклеотиды напротив дополнительный ДНК или же РНК пряди, которые связаны через водородные связи называются парой оснований (часто сокращенно bp). В канонической паре оснований Уотсона-Крика аденин (A) образует базовую пару с тимин (T) и гуанин (G) образует единое целое с цитозин (C) в ДНК. В РНК тимин заменяется на урацил (U). Альтернативные модели водородных связей, такие как базовая пара колебания и Базовая пара Hoogsteen, также встречаются - особенно в РНК - давая начало сложным и функциональным третичные структуры. Важно отметить, что спаривание - это механизм, с помощью которого кодоны на информационная РНК молекулы распознаются антикодоны на переносить РНК во время протеина перевод. Некоторые ДНК- или РНК-связывающие ферменты могут распознавать определенные паттерны спаривания оснований, которые идентифицируют определенные регуляторные области генов.Водородная связь представляет собой химический механизм, лежащий в основе правил спаривания оснований, описанных выше. Соответствующее геометрическое соответствие доноров и акцепторов водородных связей позволяет стабильно образовываться только «правильным» парам. ДНК с высоким содержанием GC более стабильна, чем ДНК с низким GC-контент, но вопреки распространенному мнению, водородные связи не стабилизируют ДНК в значительной степени, и стабилизация происходит главным образом за счет штабелирование взаимодействия.[2]

Чем больше азотистые основания, аденин и гуанин, являются членами класса двойных химических структур, называемых пурины; меньшие азотистые основания, цитозин и тимин (и урацил), являются членами класса однокольцевых химических структур, называемых пиримидины. Пурины комплементарны только пиримидинам: пары пиримидин-пиримидин энергетически невыгодны, потому что молекулы расположены слишком далеко друг от друга для установления водородной связи; Пурин-пуриновые пары энергетически невыгодны, потому что молекулы расположены слишком близко, что приводит к перекрыванию отталкивания. Единственные другие возможные пары - GT и AC; эти спаривания не соответствуют друг другу, потому что структура доноров и акцепторов водорода не соответствует. ГУ базовая пара колебания с двумя водородными связями довольно часто встречается в РНК.

Гибридизация нуклеиновых кислот

Основная статья: Термодинамика нуклеиновых кислот

Гибридизация - это процесс дополнительный пар оснований обязательный для формирования двойная спираль. Плавление - это процесс, при котором взаимодействие между нитями двойной спирали нарушается, разделяя две цепи нуклеиновой кислоты. Эти связи слабые, легко разъединяются при легком нагревании, ферменты, или физическая сила. Плавление происходит предпочтительно в определенных точках нуклеиновой кислоты.[3] Т и А богатые последовательности легче расплавлять, чем C и грамм богатые регионы. Конкретные основные стадии также подвержены плавлению ДНК, особенно Т А и T G базовые ступени.[4] Эти механические особенности отражены в использовании таких последовательностей, как ТАТАА в начале многих генов, чтобы помочь РНК-полимеразе в плавлении ДНК для транскрипции.

Разделение прядей мягким нагреванием, как в ПЦР, является простым при условии, что молекулы имеют менее примерно 10 000 пар оснований (10 пар оснований, или 10 т.п.н.). Переплетение нитей ДНК затрудняет разделение длинных сегментов. Клетка избегает этой проблемы, позволяя своим ферментам плавления ДНК (геликасы ) работать одновременно с топоизомеразы, который может химически расщеплять фосфатную основу одной из нитей, так что она может вращаться вокруг другой. Геликасы разматывать нити, чтобы облегчить продвижение ферментов, считывающих последовательность, таких как ДНК-полимераза.

Мотивы вторичной структуры

Основная нуклеиновая кислота спиральные структуры (A-, B- и Z-форма)

Вторичная структура нуклеиновой кислоты обычно делится на спирали (смежные пары оснований) и различные виды петель (неспаренные нуклеотиды, окруженные спиралями). Часто эти элементы или их комбинации далее классифицируются по дополнительным категориям, включая, например, тетрапетля, псевдоузлы, и стебель-петли.

Двойная спираль

Основная статья: Двойная спираль нуклеиновой кислоты

Двойная спираль - важная третичная структура в молекулах нуклеиновой кислоты, которая тесно связана со вторичной структурой молекулы. Двойная спираль образована участками многих последовательных пар оснований.

Двойная спираль нуклеиновой кислоты представляет собой спиральный полимер, обычно правый, содержащий два нуклеотид пряди, которые базовая пара вместе. Один виток спирали составляет около десяти нуклеотидов и содержит большую бороздку и малую бороздку, причем большая бороздка шире, чем малая бороздка.[5] Учитывая разницу в ширине большой бороздки и малой бороздки, многие белки, которые связываются с ДНК, делают это через более широкую большую бороздку.[6] Возможны многие формы двойной спирали; для ДНК тремя биологически значимыми формами являются А-ДНК, B-ДНК, и Z-ДНК, в то время как двойные спирали РНК имеют структуру, аналогичную А-форме ДНК.

Стебель-петлевые конструкции

РНК стебель-петля вторичная структура
Основная статья: Стебель-петля

Вторичная структура молекул нуклеиновой кислоты часто может быть однозначно разложена на стержни и петли. В стебель-петля структура (также часто называемая «шпилькой»), в которой спаренная по основанию спираль заканчивается короткой непарной петлей, чрезвычайно распространена и является строительным блоком для более крупных структурных мотивов, таких как структуры клеверного листа, которые представляют собой четырехспиральные соединения. такие как найденные в переносить РНК. Также часто встречаются внутренние петли (короткая серия непарных оснований в более длинной спаренной спирали) и выпуклости (области, в которых одна цепь спирали имеет «лишние» вставленные основания, не имеющие аналогов в противоположной цепи).

Есть много элементов вторичной структуры, имеющих функциональное значение для биологических РНК; некоторые известные примеры - Ро-независимый терминатор стебли-петли и тРНК клеверный лист. Продолжаются активные исследования по определению вторичной структуры молекул РНК, подходы включают оба экспериментальный и вычислительный методы (см. также Список программ для предсказания структуры РНК ).

Псевдоузлы

Основная статья: Псевдоузел
РНК псевдоузел структура. Например, компонент РНК человека теломераза.[7]

Псевдоузел - это вторичная структура нуклеиновой кислоты, содержащая не менее двух стебель-петля конструкции, в которых половина одного стебля вставленный между двумя половинками другого стебля. Псевдоузлы складываются в узловые трехмерные конформации, но это не так топологические узлы. В базовая пара в псевдоузлах не очень вложен; то есть встречаются пары оснований, которые «перекрывают» друг друга в положении последовательности. Это делает невозможным наличие общих псевдоузлов в последовательностях нуклеиновых кислот. предсказывать стандартным методом динамическое программирование, который использует рекурсивную систему оценки для определения парных основ и, следовательно, не может обнаруживать невложенные пары оснований с помощью общих алгоритмов. Однако ограниченные подклассы псевдоузлов можно предсказать с помощью модифицированных динамических программ.[8]Новые методы прогнозирования структуры, такие как стохастические контекстно-свободные грамматики также не умеют рассматривать псевдоузлы.

Псевдоузлы могут образовывать различные структуры с каталитической активностью.[9] и несколько важных биологических процессов полагаются на молекулы РНК, которые образуют псевдоузлы. Например, компонент РНК человека теломераза содержит критический для его работы псевдоузел.[7] Рибозим вируса гепатита дельта - хорошо известный пример каталитической РНК с псевдоузлом в активном центре.[10][11] Хотя ДНК также может образовывать псевдоузлы, они обычно не присутствуют в стандартных физиологические условия.

Прогнозирование вторичной структуры

Основная статья: Прогнозирование структуры нуклеиновой кислоты
Дальнейшая информация: Список программ для предсказания структуры РНК

Большинство методов предсказания вторичной структуры нуклеиновых кислот основаны на термодинамической модели ближайшего соседа.[12][13] Распространенный метод определения наиболее вероятных структур с учетом последовательности нуклеотиды использует динамическое программирование алгоритм, который стремится найти структуры с низкой свободной энергией.[14] Алгоритмы динамического программирования часто запрещают псевдоузлы или в других случаях, когда пары оснований не полностью вложены, поскольку рассмотрение этих структур становится очень дорогостоящим в вычислительном отношении даже для небольших молекул нуклеиновой кислоты. Другие методы, такие как стохастические контекстно-свободные грамматики также можно использовать для предсказания вторичной структуры нуклеиновой кислоты.

Для многих молекул РНК вторичная структура очень важна для правильного функционирования РНК - часто даже больше, чем фактическая последовательность. Этот факт помогает при анализе некодирующая РНК иногда называют «генами РНК». Одно приложение биоинформатика использует предсказанные вторичные структуры РНК при поиске геном для некодирующих, но функциональных форм РНК. Например, микроРНК имеют канонические длинные структуры «стебель-петля», прерываемые небольшими внутренними петлями.

Вторичная структура РНК применяется в Сплайсинг РНК у некоторых видов. У человека и других четвероногих было показано, что без U2AF2 белка, процесс сплайсинга тормозится. Однако в данио и другие костистые кости то Сплайсинг РНК процесс все еще может происходить на определенных генах в отсутствие U2AF2. Это может быть связано с тем, что 10% генов у рыбок данио имеют чередующиеся пары оснований TG и AC в 3'-сайте сплайсинга (3'ss) и 5'-сайте сплайсинга (5'ss) соответственно на каждом интроне, что изменяет вторичную структуру РНК. Это предполагает, что вторичная структура РНК может влиять на сплайсинг, потенциально без использования белков, подобных U2AF2, которые, как считалось, необходимы для того, чтобы сплайсинг происходил.[15]

Определение вторичной структуры

Вторичная структура РНК может быть определена из координат атомов (третичная структура), полученных с помощью Рентгеновская кристаллография, часто хранится в Банк данных белков. Текущие методы включают 3DNA / DSSR[16] и MC-аннотировать.[17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Диркс, Роберт М .; Лин, Майло; Уинфри, Эрик и Пирс, Найлз А. (2004). «Парадигмы компьютерного дизайна нуклеиновых кислот». Исследования нуклеиновых кислот. 32 (4): 1392–1403. Дои:10.1093 / нар / гх291. ЧВК  390280. PMID  14990744.
  2. ^ Яковчук, Петр; Протозанова, Екатерина; Франк-Каменецкий, Максим Д. (2006). «Вклады укладки оснований и спаривания оснований в термическую стабильность двойной спирали ДНК». Исследования нуклеиновых кислот. 34 (2): 564–574. Дои:10.1093 / нар / gkj454. ЧВК  1360284. PMID  16449200.
  3. ^ Бреслауэр К.Дж., Франк Р., Блеккер Х., Марки Л.А. (1986). «Прогнозирование стабильности дуплекса ДНК по последовательности оснований». PNAS. 83 (11): 3746–3750. Bibcode:1986PNAS ... 83.3746B. Дои:10.1073 / pnas.83.11.3746. ЧВК  323600. PMID  3459152.
  4. ^ Ричард Овчарзи (2008-08-28). «Температура плавления ДНК - как ее рассчитать?». Биофизика ДНК с высокой пропускной способностью. owczarzy.net. Получено 2008-10-02.
  5. ^ Альбертс; и другие. (1994). Молекулярная биология клетки. Нью-Йорк: Наука Гарланд. ISBN  978-0-8153-4105-5.
  6. ^ Пабо С., Зауэр Р. (1984). «Узнавание белка-ДНК». Анну Рев Биохим. 53: 293–321. Дои:10.1146 / annurev.bi.53.070184.001453. PMID  6236744.
  7. ^ а б Чен Дж. Л., Грейдер К. В. (2005). «Функциональный анализ структуры псевдоузла теломеразной РНК человека». Proc Natl Acad Sci USA. 102 (23): 8080–5. Bibcode:2005PNAS..102.8080C. Дои:10.1073 / pnas.0502259102. ЧВК  1149427. PMID  15849264.
  8. ^ Ривас Э., Эдди С.Р. (1999). «Алгоритм динамического программирования для предсказания структуры РНК, включая псевдоузлы». Дж Мол Биол. 285 (5): 2053–2068. arXiv:физика / 9807048. Дои:10.1006 / jmbi.1998.2436. PMID  9925784. S2CID  2228845.
  9. ^ Стейпл, Дэвид В .; Мясник, Сэмюэл Э. (2005-06-14). «Псевдоузлы: структуры РНК с разнообразными функциями». ПЛОС Биол. 3 (6): e213. Дои:10.1371 / journal.pbio.0030213. ISSN  1545-7885. ЧВК  1149493. PMID  15941360.
  10. ^ Дудна, Дженнифер А .; Ферре-Д'Амаре, Адриан Р .; Чжоу, Кайхонг (октябрь 1998 г.). «Кристаллическая структура рибозима вируса гепатита дельта». Природа. 395 (6702): 567–574. Bibcode:1998Натура.395..567F. Дои:10.1038/26912. PMID  9783582. S2CID  4359811.
  11. ^ Лай, Майкл М. К. (1 июня 1995 г.). «Молекулярная биология вируса гепатита дельта». Ежегодный обзор биохимии. 64 (1): 259–286. Дои:10.1146 / annurev.bi.64.070195.001355. ISSN  0066-4154. PMID  7574482.
  12. ^ Ся Т., Санта-Люсия-младший, Буркард М.Э., Кирзек Р., Шредер С.Дж., Цзяо X, Кокс С., Тернер Д.Х. (октябрь 1998 г.). «Термодинамические параметры для расширенной модели ближайшего соседа для образования дуплексов РНК с парами оснований Уотсона-Крика». Биохимия. 37 (42): 14719–35. CiteSeerX  10.1.1.579.6653. Дои:10.1021 / bi9809425. PMID  9778347.
  13. ^ Мэтьюз Д.Х., Дисней Мэриленд, Чайлдс Дж.Л., Шредер С.Дж., Цукер М., Тернер Д.Х. (май 2004 г.). «Включение ограничений химической модификации в алгоритм динамического программирования для прогнозирования вторичной структуры РНК». PNAS. 101 (19): 7287–92. Bibcode:2004ПНАС..101.7287М. Дои:10.1073 / pnas.0401799101. ЧВК  409911. PMID  15123812.
  14. ^ Цукер, М. (1989-04-07). «Об обнаружении всех неоптимальных укладок молекулы РНК». Наука. 244 (4900): 48–52. Bibcode:1989Научный ... 244 ... 48Z. Дои:10.1126 / science.2468181. ISSN  0036-8075. PMID  2468181.
  15. ^ Линь, Чиен-Линг; Таггарт, Эллисон Дж .; Лим, Киан Хуат; Cygan, Камил Дж .; Феррарис, Лучиана; Кретон, Роберт; Хуанг, Йен-Цун; Фэйрбразер, Уильям Г. (13 ноября 2015 г.). «Структура РНК заменяет необходимость в U2AF2 при сплайсинге». Геномные исследования. 26 (1): 12–23. Дои:10.1101 / гр.181008.114. ЧВК  4691745. PMID  26566657.
  16. ^ Лу, XJ; Bussemaker, HJ; Олсон, WK (2 декабря 2015 г.). «DSSR: интегрированный программный инструмент для анализа пространственной структуры РНК». Исследования нуклеиновых кислот. 43 (21): e142. Дои:10.1093 / нар / gkv716. ЧВК  4666379. PMID  26184874.
  17. ^ "MC-Annotate". www-lbit.iro.umontreal.ca.

внешняя ссылка