stringtranslate.com

Комплементарность (молекулярная биология)

Сопоставьте два основания ДНК (гуанин и цитозин), показав водородные связи (пунктирные линии), удерживающие их вместе.
Сопоставьте два основания ДНК (аденин и тимин), показав водородные связи (пунктирные линии), удерживающие их вместе.

В молекулярной биологии комплементарность описывает взаимосвязь между двумя структурами, каждая из которых следует принципу «замок и ключ». В природе комплементарность является базовым принципом репликации и транскрипции ДНК, поскольку это свойство, общее для двух последовательностей ДНК или РНК , так что когда они выровнены антипараллельно друг другу, нуклеотидные основания в каждой позиции в последовательностях будут комплементарными , как если бы вы смотрели в зеркало и видели обратную сторону вещей. Это комплементарное спаривание 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 нуклеиновых кислот 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 , которые должны быть вместе. Кроме того, различные функции восстановления 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 дверь для современных инструментов, таких как библиотеки кДНК . Хотя большая часть комплементарности наблюдается между двумя отдельными цепочками ДНК или РНК, также возможно, что последовательность имеет внутреннюю комплементарность, что приводит к связыванию последовательности с самой собой в свернутой конфигурации.

Комплементарность пар оснований ДНК и РНК

Комплементарность между двумя антипараллельными цепями ДНК. Верхняя цепочка идет слева направо, а нижняя цепочка идет справа налево, выстраивая их в ряд.
Слева: пары нуклеотидных оснований, которые могут образовываться в двухцепочечной ДНК . Между A и T есть две водородные связи, а между C и G — три. Справа: две комплементарные цепи ДНК.

Комплементарность достигается за счет различных взаимодействий между азотистыми основаниями : аденином , тимином ( урацилом в РНК ), гуанином и цитозином . Аденин и гуанин являются пуринами , в то время как тимин, цитозин и урацил являются пиримидинами . Пурины больше пиримидинов. Оба типа молекул дополняют друг друга и могут образовывать пары оснований только с противоположным типом азотистого основания. В нуклеиновой кислоте азотистые основания удерживаются вместе водородными связями , которые эффективно работают только между аденином и тимином и между гуанином и цитозином. Комплемент оснований A = T разделяет две водородные связи, в то время как пара оснований G ≡ C имеет три водородные связи. Все другие конфигурации между азотистыми основаниями будут препятствовать образованию двойной спирали. Цепи ДНК ориентированы в противоположных направлениях, они называются антипараллельными . [1]

Комплементарная цепь ДНК или РНК может быть сконструирована на основе комплементарности азотистых оснований. [2] Каждая пара оснований, A = T против 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 шаблона 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 шаблона 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 РНК- геномами с помощью рекомбинации с выбором копии во время репликации. [5]

Механизмы репарации ДНК, такие как корректурное считывание , основаны на комплементарности и позволяют исправлять ошибки во время репликации ДНК путем удаления несовпадающих азотистых оснований. [1] В общем, повреждения в одной цепи ДНК можно исправить путем удаления поврежденного участка и его замены с помощью комплементарности для копирования информации с другой цепи, как это происходит в процессах репарации несовпадений , репарации эксцизии нуклеотидов и репарации эксцизии оснований . [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 , ПЦР. [1]

Две цепи комплементарной последовательности называются смысловой и антисмысловой . Смысловая цепь, как правило, представляет собой транскрибированную последовательность ДНК или РНК, которая была получена в результате транскрипции, в то время как антисмысловая цепь представляет собой цепь, комплементарную смысловой последовательности.

Самодополнительность и петли-шпильки

Последовательность РНК, обладающая внутренней комплементарностью, что приводит к ее сворачиванию в шпильку.

Самокомплементарность относится к тому факту, что последовательность ДНК или РНК может складываться сама на себя, создавая структуру, похожую на двойную цепочку. В зависимости от того, насколько близко друг к другу расположены части последовательности, которые являются самокомплементарными, цепочка может образовывать шпильковые петли, соединения, выпуклости или внутренние петли. [1] РНК с большей вероятностью образует такие типы структур из-за связывания пар оснований, не наблюдаемого в ДНК, например, связывания гуанина с урацилом. [1]

Последовательность РНК, показывающая шпильки (крайние справа и крайние слева вверху) и внутренние петли (нижняя левая структура)

Регуляторные функции

Комплементарность может быть обнаружена между короткими участками нуклеиновой кислоты и кодирующей областью или транскрибированным геном, и приводит к спариванию оснований. Эти короткие последовательности нуклеиновой кислоты обычно встречаются в природе и имеют регуляторные функции, такие как подавление генов. [1]

Антисмысловые транскрипты

Антисмысловые транскрипты представляют собой участки некодирующей мРНК, которые комплементарны кодирующей последовательности. [7] Исследования по всему геному показали, что антисмысловые транскрипты РНК часто встречаются в природе. Обычно считается, что они увеличивают кодирующий потенциал генетического кода и добавляют общий уровень сложности к регуляции генов. На данный момент известно, что 40% человеческого генома транскрибируется в обоих направлениях, что подчеркивает потенциальную значимость обратной транскрипции. [8] Было высказано предположение, что комплементарные области между смысловыми и антисмысловыми транскриптами позволят генерировать двухцепочечные гибриды РНК, которые могут играть важную роль в регуляции генов. Например, мРНК фактора 1α, индуцированного гипоксией, и мРНК β-секретазы транскрибируются двунаправленно, и было показано, что антисмысловой транскрипт действует как стабилизатор смыслового сценария. [9]

miRNA и siRNA

Формирование и функция микроРНК в клетке

miRNAs , микроРНК, представляют собой короткие последовательности РНК, которые комплементарны областям транскрибируемого гена и имеют регуляторные функции. Текущие исследования показывают, что циркулирующие miRNA могут использоваться в качестве новых биомаркеров, следовательно, демонстрируют многообещающие доказательства для использования в диагностике заболеваний. [10] MiRNAs образуются из более длинных последовательностей РНК, которые освобождаются ферментом Dicer от последовательности РНК, которая принадлежит регуляторному гену. Эти короткие нити связываются с комплексом RISC . Они совпадают с последовательностями в восходящей области транскрибируемого гена из-за своей комплементарности, чтобы действовать как сайленсер для гена тремя способами. Один из них заключается в том, чтобы не допустить связывания рибосомы и инициирования трансляции. Два — в том, чтобы деградировать мРНК, с которой связался комплекс. И третий — в том, чтобы предоставить новую последовательность двухцепочечной РНК (dsRNA), на которую Dicer может воздействовать, чтобы создать больше miRNA, чтобы найти и деградировать больше копий гена. Малые интерферирующие РНК (siRNA) по своей функции похожи на miRNA; они происходят из других источников РНК, но служат той же цели, что и miRNA. [1] Учитывая их короткую длину, правила комплементарности означают, что они все еще могут быть очень разборчивыми в своих целях выбора. Учитывая, что существует четыре выбора для каждого основания в цепи и длина mi/siRNA 20bp - 22bp, это приводит к более чем1 × 10 12 возможных комбинаций . Учитывая, что длина человеческого генома составляет ~3,1 миллиарда оснований, [11] это означает, что каждая miRNA должна найти совпадение во всем человеческом геноме только один раз случайно.

Заколки для поцелуев

Целующиеся шпильки образуются, когда одна нить нуклеиновой кислоты дополняет сама себя, создавая петли РНК в форме шпильки. [12] Когда две шпильки вступают в контакт друг с другом in vivo , комплементарные основания двух нитей формируются и начинают раскручивать шпильки до тех пор, пока не образуется комплекс двухцепочечной РНК (dsRNA) или комплекс не раскручивается обратно на две отдельные нити из-за несоответствий в шпильках. Вторичная структура шпильки до поцелуя обеспечивает стабильную структуру с относительно фиксированным изменением энергии. [13] Целью этих структур является балансирование стабильности петли шпильки против прочности связывания с комплементарной нитью. Слишком сильное начальное связывание с плохим местом — и нити не раскрутятся достаточно быстро; слишком слабое начальное связывание — и нити никогда полностью не сформируют желаемый комплекс. Эти шпильковые структуры позволяют раскрыть достаточное количество оснований, чтобы обеспечить достаточно сильную проверку начального связывания и достаточно слабую внутреннюю связь, чтобы обеспечить развертывание после нахождения благоприятного соответствия. [13]

---С Г--- ЦГ ---ЦГ--- УАКГ GCUA CGGC АГЦГ АААГ КУАА U CUU ---CCUGCAACUUAGGCAGG--- А ГАА ---ГГАКГУУГААУККГУКК--- ГАУУ УУУК УКГЦ GCCG CGAU АУГК ГЦ ---Г Ц------Г Ц---Целующиеся шпильки встречаются наверху петель. Взаимодополняемостьиз двух головок побуждает шпильку разворачиваться и выпрямляться, чтобыстать одной плоской последовательностью из двух прядей, а не двумя шпильками.

Биоинформатика

Комплементарность позволяет хранить информацию, содержащуюся в ДНК или РНК, в одной цепи. Комплементарная цепь может быть определена из шаблона и наоборот, как в библиотеках кДНК. Это также позволяет проводить анализ, например, сравнивать последовательности двух разных видов. Были разработаны стенографии для записи последовательностей, когда есть несоответствия (коды неоднозначности) или для ускорения чтения противоположной последовательности в комплементе (амбиграммы).

Библиотека ДНК

Библиотека кДНК представляет собой коллекцию экспрессированных генов ДНК, которые рассматриваются как полезный справочный инструмент в процессах идентификации и клонирования генов. Библиотеки кДНК создаются из мРНК с использованием РНК-зависимой ДНК-полимеразы обратной транскриптазы (RT), которая транскрибирует шаблон мРНК в ДНК. Поэтому библиотека кДНК может содержать только вставки, которые предназначены для транскрибации в мРНК. Этот процесс основан на принципе комплементарности ДНК/РНК. Конечным продуктом библиотек является двухцепочечная ДНК, которая может быть вставлена ​​в плазмиды. Таким образом, библиотеки кДНК являются мощным инструментом в современных исследованиях. [1] [14]

Коды неоднозначности

При написании последовательностей для систематической биологии может потребоваться иметь коды IUPAC , которые означают «любой из двух» или «любой из трех». Код IUPAC R (любой пурин ) комплементарен Y (любой пиримидин ), а M (амино) — K (кето). W (слабый) и S (сильный) обычно не меняются местами [15], но в прошлом их меняли местами некоторые инструменты. [16] W и S обозначают «слабый» и «сильный» соответственно и указывают число водородных связей, которые нуклеотид использует для спаривания со своим комплементарным партнером. Партнер использует то же число связей для создания комплементарной пары. [17]

Код IUPAC, который специально исключает один из трех нуклеотидов, может быть комплементарным коду IUPAC, который исключает комплементарный нуклеотид. Например, V (A, C или G - "не T") может быть комплементарным B (C, G или T - "не A").

Амбиграммы

Определенные символы могут быть использованы для создания подходящей ( амбиграфической ) записи нуклеиновой кислоты для комплементарных оснований (например, гуанин = b , цитозин = q , аденин = n и тимин = u ), что позволяет дополнять целые последовательности ДНК, просто поворачивая текст «вверх ногами». [19] Например, с предыдущим алфавитом buqn (GTCA) будет читаться как ubnq (TGAC, обратный комплемент), если перевернуть его вверх ногами.

qqubqnnquunbbqnbb
bbnqbuubnnuqqbuqq

Амбиграфические обозначения легко визуализируют комплементарные участки нуклеиновых кислот, такие как палиндромные последовательности. [20] Эта функция улучшается при использовании пользовательских шрифтов или символов вместо обычных символов ASCII или даже Unicode. [20]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefgh Уотсон, Джеймс, Лаборатория Колд-Спринг-Харбор, Таня А. Бейкер, Массачусетский технологический институт, Стивен П. Белл, Массачусетский технологический институт, Александр Ганн, Лаборатория Колд-Спринг-Харбор, Майкл Левин, Калифорнийский университет в Беркли, Ричард Лосик, Гарвардский университет; совместно со Стивеном К. Харрисоном, Гарвардский медицинский факультет (2014). Молекулярная биология гена (седьмое изд.). Бостон: Benjamin-Cummings Publishing Company. ISBN 978-0-32176243-6.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  2. ^ Pray, Leslie (2008). «Открытие структуры и функции ДНК: Уотсон и Крик». Nature Education . 1 (1): 100. Получено 27 ноября 2013 г.
  3. ^ Шанкар, А.; Джагота, А.; Миттал, Дж. (11 октября 2012 г.). «Димеры оснований ДНК стабилизируются водородными связями, включая не-Уотсон-Криковское спаривание вблизи графитовых поверхностей». Журнал физической химии B. 116 ( 40): 12088–94. doi :10.1021/jp304260t. PMID  22967176.
  4. ^ Худ, Л.; Галас, Д. (23 января 2003 г.). «Цифровой код ДНК». Nature . 421 (6921): 444–8. Bibcode :2003Natur.421..444H. doi : 10.1038/nature01410 . PMID  12540920.
  5. ^ Rawson JMO, Nicholaschik OA, Keele BF, Pathak VK, Hu WS. Рекомбинация необходима для эффективной репликации ВИЧ-1 и поддержания целостности вирусного генома. Nucleic Acids Res. 2018;46(20):10535-10545. DOI:10.1093/nar/gky910 PMID 30307534
  6. ^ Флек О, Нильсен О. Восстановление ДНК. J Cell Sci. 2004;117(Pt 4):515-517. DOI:10.1242/jcs.00952
  7. ^ He, Y; Vogelstein, B; Velculescu, VE; Papadopoulos, N; Kinzler, KW (19 декабря 2008 г.). «Антисмысловые транскриптомы человеческих клеток». Science . 322 (5909): 1855–7. Bibcode :2008Sci...322.1855H. doi :10.1126/science.1163853. PMC 2824178 . PMID  19056939. 
  8. ^ Катаяма, С.; Томару, И.; Касукава, Т.; Ваки, К.; Наканиши, М.; Накамура, М.; Нисида, Х.; Яп, К.С.; Сузуки, М.; Каваи, Дж.; Сузуки, Х.; Карнинчи, П.; Хаяшизаки, И.; Уэллс, К.; Фрит, М.; Раваси, Т.; Панг, К.С.; Халлинан, Дж.; Маттик, Дж.; Хьюм, ДА.; Липович, Л.; Баталов, С.; Энгстрём, П.Г.; Мизуно, И.; Фагихи, МА; Санделин, А.; Чок, А.М.; Моттагуи-Табар, С.; Лян, З.; Ленхард, Б.; Валестедт, К.; Исследовательская группа по исследованию генома RIKEN; Группа по изучению генома (Основная группа проекта «Геномная сеть»); Консорциум FANTOM (2 сентября 2005 г.). «Антисмысловая транскрипция в транскриптоме млекопитающих». Science . 309 (5740): 1564–6. Bibcode :2005Sci...309.1564R. doi :10.1126/science.1112009. PMID  16141073. S2CID  34559885.
  9. ^ Faghihi, MA; Zhang, M; Huang, J; Modarresi, F; Van der Brug, MP; Nalls, MA; Cookson, MR; St-Laurent G, 3rd; Wahlestedt, C (2010). «Доказательства естественного антисмыслового транскрипт-опосредованного ингибирования функции микроРНК». Genome Biology . 11 (5): R56. doi : 10.1186/gb-2010-11-5-r56 . PMC 2898074 . PMID  20507594. {{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  10. ^ Косака, Н; Ёсиока, И; Хагивара, К; Томинага, Н; Кацуда, Т; Очия, Т (5 сентября 2013 г.). «Мусор или сокровище: внеклеточные микроРНК и межклеточная коммуникация». Frontiers in Genetics . 4 : 173. doi : 10.3389/fgene.2013.00173 . PMC 3763217. PMID  24046777 . 
  11. ^ "Ensembl genome browser 73: Homo sapiens - Assembly and Genebuild". Ensembl.org . Архивировано из оригинала 15 февраля 2013 г. Получено 27 ноября 2013 г.
  12. ^ Marino, JP; Gregorian RS Jr; Csankovszki, G; Crothers, DM (9 июня 1995 г.). «Формирование изогнутой спирали между шпильками РНК с комплементарными петлями». Science . 268 (5216): 1448–54. Bibcode :1995Sci...268.1448M. doi :10.1126/science.7539549. PMID  7539549.
  13. ^ ab Chang, KY; Tinoco I Jr (30 мая 1997 г.). «Структура комплекса шпильки «целующейся» РНК петли шпильки ВИЧ TAR и ее комплемент». Журнал молекулярной биологии . 269 (1): 52–66. doi :10.1006/jmbi.1997.1021. PMID  9193000.
  14. ^ Wan, KH; Yu, C; George, RA; Carlson, JW; Hoskins, RA; Svirskas, R; Stapleton, M; Celniker, SE (2006). «Высокопроизводительный скрининг библиотеки плазмидной ДНК». Nature Protocols . 1 (2): 624–32. doi :10.1038/nprot.2006.90. PMID  17406289. S2CID  205463694.
  15. ^ Джереми Фейт (2011), таблица преобразования
  16. ^ arep.med.harvard.edu Страница инструмента с примечанием о примененном патче преобразования WS.
  17. ^ Страница инструмента обратного дополнения с документированным преобразованием кода ИЮПАК, исходный код доступен.
  18. ^ Номенклатурный комитет Международного союза биохимии (NC-IUB) (1984). "Номенклатура неполностью определенных оснований в последовательностях нуклеиновых кислот" . Получено 04.02.2008 .
  19. ^ Розак ​​ДА (2006). «Практические и педагогические преимущества амбиграфической записи нуклеиновых кислот». Нуклеозиды Нуклеотиды Нуклеиновые кислоты . 25 (7): 807–13. doi :10.1080/15257770600726109. PMID  16898419. S2CID  23600737.
  20. ^ ab Rozak, DA; Rozak, AJ (май 2008). «Простота, функциональность и удобочитаемость в улучшенной амбиграфической нотации нуклеиновых кислот». BioTechniques . 44 (6): 811–3. doi : 10.2144/000112727 . PMID  18476835.

Внешние ссылки