В молекулярной биологии комплементарность описывает отношения между двумя структурами, каждая из которых соответствует принципу «замок и ключ». В природе комплементарность является основным принципом репликации и транскрипции ДНК, поскольку это свойство, общее для двух последовательностей ДНК или РНК , например, когда они выровнены антипараллельно друг другу, нуклеотидные основания в каждой позиции в последовательностях будут комплементарны , во многом это как смотреть в зеркало и видеть обратное. Эта дополнительная пара оснований позволяет клеткам копировать информацию из одного поколения в другое и даже находить и восстанавливать повреждения информации, хранящейся в последовательностях.
Степень комплементарности между двумя цепями нуклеиновой кислоты может варьироваться от полной комплементарности (каждый нуклеотид находится напротив своей противоположности) до отсутствия комплементарности (каждый нуклеотид не находится напротив своей противоположности) и определяет стабильность последовательностей , находящихся вместе. Более того, различные функции репарации ДНК, а также регуляторные функции основаны на комплементарности пар оснований. В биотехнологии принцип комплементарности пар оснований позволяет создавать гибриды ДНК между РНК и ДНК и открывает двери для современных инструментов, таких как библиотеки кДНК . Хотя наибольшая комплементарность наблюдается между двумя отдельными цепочками ДНК или РНК, последовательность также может иметь внутреннюю комплементарность, приводящую к связыванию последовательности сама с собой в свернутой конфигурации.
.png/1280px-Complementarity_(DNA).png)
Комплементарность достигается за счет различных взаимодействий между азотистыми основаниями : аденином , тимином ( урацил в РНК ), гуанином и цитозином . Аденин и гуанин являются пуринами , а тимин, цитозин и урацил — пиримидинами . Пурины крупнее пиримидинов. Оба типа молекул дополняют друг друга и могут образовывать пары оснований только с азотистым основанием противоположного типа. В нуклеиновой кислоте нуклеиновые основания удерживаются вместе за счет водородной связи , которая эффективно работает только между аденином и тимином, а также между гуанином и цитозином. Комплемент оснований A = T имеет две водородные связи, а пара оснований G ≡ C имеет три водородные связи. Все другие конфигурации нуклеиновых оснований будут препятствовать образованию двойной спирали. Нити ДНК ориентированы в противоположных направлениях, их называют антипараллельными . [1]
Комплементарная цепь ДНК или РНК может быть построена на основе комплементарности нуклеиновых оснований. [2] Каждая пара оснований, A = T или G ≡ C, занимает примерно одинаковое пространство, тем самым обеспечивая образование скрученной двойной спирали ДНК без каких-либо пространственных искажений. Водородные связи между азотистыми основаниями также стабилизируют двойную спираль ДНК. [3]
Комплементарность цепей ДНК в двойной спирали позволяет использовать одну цепь в качестве матрицы для построения другой. Этот принцип играет важную роль в репликации ДНК , закладывая основу наследственности , объясняя, как генетическая информация может передаваться следующему поколению. Комплементарность также используется в транскрипции ДНК , которая генерирует цепь РНК из матрицы ДНК. [4] Кроме того, вирус иммунодефицита человека , одноцепочечный РНК-вирус , кодирует РНК-зависимую ДНК-полимеразу ( обратную транскриптазу ), которая использует комплементарность для катализа репликации генома. Обратная транскриптаза может переключаться между двумя родительскими геномами РНК путем рекомбинации выбора копии во время репликации. [5]
Механизмы репарации ДНК, такие как корректура , основаны на комплементарности и позволяют исправлять ошибки во время репликации ДНК путем удаления несовпадающих нуклеиновых оснований. [1] В общем, повреждения в одной цепи ДНК можно устранить путем удаления поврежденного участка и его замены, используя комплементарность для копирования информации из другой цепи, как это происходит в процессах репарации ошибочных спариваний , эксцизионной репарации нуклеотидов и вырезания оснований . ремонт . [6]
Цепи нуклеиновых кислот также могут образовывать гибриды , в которых одноцепочечная ДНК может легко отжигаться с комплементарной ДНК или РНК. Этот принцип лежит в основе широко применяемых лабораторных методов, таких как полимеразная цепная реакция или ПЦР. [1]
Две цепи комплементарной последовательности называются смысловой и антисмысловой . Смысловая цепь — это, как правило, транскрибируемая последовательность ДНК или РНК, которая образовалась при транскрипции, тогда как антисмысловая цепь — это цепь, которая комплементарна смысловой последовательности.
Самокомплементарность относится к тому факту, что последовательность ДНК или РНК может сворачиваться сама в себя, создавая структуру, подобную двухцепочечной. В зависимости от того, насколько близко друг к другу расположены части последовательности, которые являются самодополняющими, нить может образовывать шпильки, соединения, выпуклости или внутренние петли. [1] РНК с большей вероятностью образует подобные структуры из-за связывания пар оснований, не наблюдаемого в ДНК, например, связывания гуанина с урацилом. [1]
Комплементарность может быть обнаружена между короткими участками нуклеиновой кислоты и кодирующей областью или транскрибируемым геном и приводит к спариванию оснований. Эти короткие последовательности нуклеиновых кислот обычно встречаются в природе и выполняют регуляторные функции, такие как подавление генов. [1]
Антисмысловые транскрипты представляют собой участки некодирующей мРНК, комплементарные кодирующей последовательности. [7] Полногеномные исследования показали, что антисмысловые транскрипты РНК часто встречаются в природе. Обычно считается, что они увеличивают кодирующий потенциал генетического кода и усложняют регуляцию генов. На данный момент известно, что 40% генома человека транскрибируется в обоих направлениях, что подчеркивает потенциальную значимость обратной транскрипции. [8] Было высказано предположение, что комплементарные области между смысловыми и антисмысловыми транскриптами позволят создавать гибриды двухцепочечной РНК, которые могут играть важную роль в регуляции генов. Например, мРНК фактора 1α, индуцированная гипоксией, и мРНК β-секретазы транскрибируются двунаправленно, и было показано, что антисмысловой транскрипт действует как стабилизатор смыслового сценария. [9]
микроРНК , микроРНК, представляют собой короткие последовательности РНК, которые комплементарны областям транскрибируемого гена и выполняют регуляторные функции. Текущие исследования показывают, что циркулирующие микроРНК могут использоваться в качестве новых биомаркеров, и, следовательно, демонстрируют многообещающие доказательства , которые можно использовать в диагностике заболеваний. из гена-регулятора. Эти короткие нити связываются с комплексом RISC . Они совпадают с последовательностями в верхней области транскрибируемого гена из-за их комплементарности и действуют как сайленсеры для гена тремя способами. Один из них заключается в предотвращении связывания рибосомы и инициации трансляции. Во-вторых, это разрушение мРНК, с которой связан комплекс. И третий — предоставить новую последовательность двухцепочечной РНК (дцРНК), на которую Дайсер может воздействовать, создавая больше микроРНК для поиска и разрушения большего количества копий гена. Малые интерферирующие РНК (миРНК) по функциям аналогичны микроРНК; они происходят из других источников РНК, но служат той же цели, что и микроРНК. [1] Учитывая свою короткую продолжительность, правила дополнительности означают, что они по-прежнему могут быть очень разборчивыми в выборе целей. Учитывая, что существует четыре варианта выбора для каждого основания в цепи и длина ми/миРНК составляет 20–22 п.н., это приводит к более чем1 × 10 12 возможных комбинаций . Учитывая, что длина генома человека составляет ~3,1 миллиарда оснований, [11] это означает, что каждая микроРНК должна случайно найти совпадение во всем геноме человека только один раз.
Целующиеся шпильки образуются, когда одна цепь нуклеиновой кислоты дополняет сама себя, образуя петли РНК в форме шпильки. [12] Когда две шпильки вступают в контакт друг с другом in vivo , комплементарные основания двух цепей формируются и начинают раскручивать шпильки до тех пор, пока не образуется комплекс двухцепочечной РНК (дцРНК) или комплекс не раскручивается обратно на две отдельные шпильки. пряди из-за несовпадения шпилек. Вторичная структура шпильки до поцелуя обеспечивает стабильную структуру с относительно фиксированным изменением энергии. [13] Целью этих структур является баланс между стабильностью петли шпильки и силой связывания с комплементарной цепью. Слишком сильная первоначальная привязка к неудачному месту и пряди не будут раскручиваться достаточно быстро; слишком слабое первоначальное связывание и пряди никогда полностью не сформируют желаемый комплекс. Эти шпильковые структуры позволяют выявить достаточное количество оснований, чтобы обеспечить достаточно сильную проверку первоначального связывания, и достаточно слабое внутреннее связывание, чтобы обеспечить развертывание после того, как будет найдено благоприятное совпадение. [13]
---С Г--- КГ --- К Г--- ОАКГ ГКУА CGGC АГКГ АААГ КУАА У КУУ ---CCUCCAACUUAGGCAGG--- А ГАА ---GGACGUUGAAUCCGUCC--- ГАУУ УУУК UCGC GCCG ЦГАУ АУГК GC ---G C------Г С---Целующиеся заколки встречаются в верхней части петель. Взаимодополняемостьиз двух головок заставляет шпильку разворачиваться и выпрямляться допревратитесь в одну плоскую последовательность из двух прядей, а не в две заколки.
Комплементарность позволяет хранить информацию, содержащуюся в ДНК или РНК, в одной цепи. Комплементарную цепь можно определить по матрице и наоборот, как в библиотеках кДНК. Это также позволяет проводить анализ, например сравнивать последовательности двух разных видов. Были разработаны сокращения для записи последовательностей при наличии несоответствий (коды неоднозначности) или для ускорения чтения противоположной последовательности в дополнении (амбиграммы).
Библиотека кДНК представляет собой коллекцию экспрессируемых генов ДНК, которые рассматриваются как полезный справочный инструмент в процессах идентификации и клонирования генов. Библиотеки кДНК конструируются из мРНК с использованием обратной транскриптазы (RT) РНК-зависимой ДНК-полимеразы, которая транскрибирует матрицу мРНК в ДНК. Следовательно, библиотека кДНК может содержать только вставки, предназначенные для транскрипции в мРНК. Этот процесс основан на принципе комплементарности ДНК/РНК. Конечным продуктом библиотек является двухцепочечная ДНК, которую можно вставлять в плазмиды. Следовательно, библиотеки кДНК являются мощным инструментом в современных исследованиях. [1] [14]
При написании последовательностей для систематической биологии может потребоваться код IUPAC , означающий «любой из двух» или «любой из трех». Код IUPAC R (любой пурин ) комплементарен Y (любому пиримидину ) и M (амино) - K (кето). W (слабый) и S (сильный) обычно не меняются местами [15] , но в прошлом некоторые инструменты меняли местами. [16] W и S обозначают «слабый» и «сильный» соответственно и указывают количество водородных связей, которые нуклеотид использует для спаривания со своим комплементирующим партнером. Партнер использует одинаковое количество связей, чтобы составить дополняющую пару. [17]
Код ИЮПАК, специально исключающий один из трех нуклеотидов, может быть комплементарен коду ИЮПАК, исключающему комплементарный нуклеотид. Например, V (A, C или G — «не T») может быть дополнительным к B (C, G или T — «не A»).
Конкретные символы могут использоваться для создания подходящей ( двусмысленной ) нотации нуклеиновой кислоты для дополнительных оснований (например, гуанин = b , цитозин = q , аденин = n и тимин = u ), что позволяет дополнять целые последовательности ДНК простым вращение текста «вверх ногами». [19] Например, в предыдущем алфавите buqn (GTCA) читался бы как ubnq (TGAC, обратное дополнение), если его перевернуть.
Амбиграфические обозначения легко визуализируют дополнительные участки нуклеиновой кислоты, такие как палиндромные последовательности. [20] Эта функция расширяется при использовании пользовательских шрифтов или символов вместо обычных символов ASCII или даже символов Юникода. [20]
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )