stringtranslate.com

Правила Чаргаффа

Диаграмма спаривания оснований ДНК, демонстрирующая основу правил Чаргаффа.

Правила Чаргаффа (данные Эрвином Чаргаффом ) гласят, что в ДНК любого вида и организма количество гуанина должно быть равно количеству цитозина , а количество аденина должно быть равно количеству тимина . Кроме того, должно существовать стехиометрическое соотношение 1:1 пуриновых и пиримидиновых оснований (т. е. A+G=T+C). Эта закономерность обнаруживается в обеих цепях ДНК. Они были открыты австрийским химиком Эрвином Чаргаффом [1] [2] в конце 1940-х годов.

Определения

Правило первого паритета

Первое правило гласит, что двухцепочечная молекула ДНК в целом имеет процентное равенство пар оснований: A% = T% и G% = C%. Строгая проверка правила составляет основу пар оснований Уотсона-Крика в модели двойной спирали ДНК.

Правило второго паритета

Второе правило гласит, что как Α% ≈ Τ%, так и G% ≈ C% справедливы для каждой из двух цепей ДНК. [3] Это описывает только глобальную особенность состава оснований в одной цепи ДНК. [4]

Исследовать

Второе правило четности было открыто в 1968 году. [3] Оно гласит, что в одноцепочечной ДНК число единиц аденина приблизительно равно числу тимина (%A ≈ %T), а число единиц цитозина приблизительно равно числу гуанина (%C ≈ %G).

Первое эмпирическое обобщение второго правила четности Чаргаффа, называемое принципом симметрии, было предложено Винаякумаром В. Прабху [5] в 1993 году. Этот принцип гласит, что для любого заданного олигонуклеотида его частота приблизительно равна частоте его комплементарного обратного олигонуклеотида. Теоретическое обобщение [6] было математически получено Мишелем Э. Б. Ямагиши и Роберто Х. Хераи в 2011 году. [7]

В 2006 году было показано, что это правило применимо к четырем [2] из пяти типов двухцепочечных геномов; в частности, оно применимо к эукариотическим хромосомам , бактериальным хромосомам, двухцепочечным ДНК- вирусным геномам и архейным хромосомам. [8] Оно не применимо к органеллярным геномам ( митохондриям и пластидам ) размером менее ~20-30 кбн , а также не применимо к одноцепочечным ДНК- (вирусным) геномам или любому типу РНК- генома. Основа этого правила все еще исследуется, хотя размер генома может играть роль.

Гистограмма, показывающая, как 20309 хромосом следуют правилу второй четности Чаргаффа

Правило само по себе имеет последствия. В большинстве бактериальных геномов (которые, как правило, на 80-90% кодирующие) гены организованы таким образом, что примерно 50% кодирующей последовательности лежит на одной из нитей. Вацлав Шибальский в 1960-х годах показал, что в кодирующих последовательностях бактериофагов пурины (A и G) превышают пиримидины (C и T). [9] Это правило с тех пор было подтверждено и в других организмах, и теперь его, вероятно, следует называть « правилом Шибальского ». Хотя правило Шибальского в целом выполняется, известно, что существуют исключения. [10] [11] [12] Биологическая основа правила Шибальского пока неизвестна.

Совместный эффект второго правила Чаргаффа и правила Шибальского можно увидеть в бактериальных геномах, где кодирующие последовательности распределены неравномерно. Генетический код имеет 64 кодона , из которых 3 функционируют как терминирующие кодоны: в белках обычно присутствует только 20 аминокислот . (Существуют две необычные аминокислоты — селеноцистеин и пирролизин — обнаруженные в ограниченном количестве белков и кодируемые стоп-кодонами — TGA и TAG соответственно.) Несоответствие между количеством кодонов и аминокислот позволяет нескольким кодонам кодировать одну аминокислоту — такие кодоны обычно различаются только в третьей позиции основания кодона.

Многомерный статистический анализ использования кодонов в геномах с неравным количеством кодирующих последовательностей на двух цепях показал, что использование кодонов в третьей позиции зависит от цепи, на которой расположен ген. Это, вероятно, является результатом правил Шибальского и Чаргаффа. Из-за асимметрии в использовании пиримидина и пурина в кодирующих последовательностях цепь с большим содержанием кодирования будет иметь большее количество пуриновых оснований (правило Шибальского). Поскольку количество пуриновых оснований будет, в очень хорошем приближении, равно количеству их комплементарных пиримидинов в той же цепи, и поскольку кодирующие последовательности занимают 80–90% цепи, по-видимому, существует (1) селективное давление на третье основание, чтобы минимизировать количество пуриновых оснований в цепи с большим содержанием кодирования; и (2) что это давление пропорционально несоответствию в длине кодирующих последовательностей между двумя цепями.

Правило 2-й четности Чаргаффа для прокариотических 6-меров

Происхождение отклонения от правила Чаргаффа в органеллах, как предполагается, является следствием механизма репликации. [13] Во время репликации цепи ДНК разделяются. В одноцепочечной ДНК цитозин спонтанно медленно дезаминируется в аденозин ( трансверсия C в A ). Чем длиннее разделены цепи, тем больше количество дезаминирования. По причинам, которые пока не ясны, цепи имеют тенденцию существовать дольше в одиночной форме в митохондриях, чем в хромосомной ДНК. Этот процесс имеет тенденцию давать одну цепь, которая обогащена гуанином (G) и тимином (T), с ее комплементом, обогащенным цитозином (C) и аденозином (A), и этот процесс мог привести к отклонениям, обнаруженным в митохондриях. [ необходима цитата ] [ сомнительно – обсудить ]

Второе правило Чаргаффа, по-видимому, является следствием более сложного правила четности: в пределах одной цепи ДНК любой олигонуклеотид ( k-мер или n-грамм ; длина ≤ 10) присутствует в равных количествах с его обратным комплементарным нуклеотидом. Из-за вычислительных требований это не было проверено во всех геномах для всех олигонуклеотидов. Это было проверено для триплетных олигонуклеотидов для большого набора данных. [14] Альбрехт-Бюлер предположил, что это правило является следствием геномов, эволюционирующих в процессе инверсии и транспозиции . [ 14] Этот процесс, по-видимому, не действовал на митохондриальные геномы. Второе правило четности Чаргаффа, по-видимому, распространяется с уровня нуклеотидов на популяции триплетов кодонов в случае всей одноцепочечной ДНК человеческого генома. [15] Предлагается своего рода «второе правило четности Чаргаффа на уровне кодонов» следующим образом:

Примеры — вычисление всего генома человека с использованием первой рамки считывания кодонов обеспечивает:

36530115 TTT и 36381293 AAA (соотношение % = 1,00409). 2087242 TCG и 2085226 CGA (соотношение % = 1,00096) и т. д.

В 2020 году было высказано предположение, что физические свойства dsDNA (двуцепочечной ДНК) и тенденция к максимальной энтропии всех физических систем являются причиной второго правила четности Чаргаффа. [16] Симметрии и закономерности, присутствующие в последовательностях dsDNA, могут возникать только из-за физических особенностей молекулы dsDNA и принципа максимальной энтропии, а не из-за биологического или экологического эволюционного давления.

Процентное содержание оснований в ДНК

Следующая таблица представляет собой репрезентативную выборку данных Эрвина Чаргаффа 1952 года, в которых перечислены основные составы ДНК различных организмов и которые подтверждают оба правила Чаргаффа. [17] Такой организм, как φX174, со значительными вариациями A/T и G/C, равными единице, указывает на одноцепочечную ДНК.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Элсон Д., Чаргафф Э. (1952). «О содержании дезоксирибонуклеиновой кислоты в гаметах морского ежа». Эксперименты . 8 (4): 143–145. дои : 10.1007/BF02170221. PMID  14945441. S2CID  36803326.
  2. ^ ab Chargaff E, Lipshitz R, Green C (1952). «Состав дезоксипентозных нуклеиновых кислот четырех родов морских ежей». J Biol Chem . 195 (1): 155–160. doi : 10.1016/S0021-9258(19)50884-5 . PMID  14938364. S2CID  11358561.
  3. ^ ab Rudner, R; Karkas, JD; Chargaff, E (1968). «Разделение ДНК B. Subtilis на комплементарные нити. 3. Прямой анализ». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 60 (3): 921–2. Bibcode :1968PNAS...60..921R. doi : 10.1073/pnas.60.3.921 . PMC 225140 . PMID  4970114. 
  4. ^ Прабху ВВ (1993). «Наблюдение симметрии в длинных нуклеотидных последовательностях». Nucleic Acids Research . 21 (12): 2797–2800. doi :10.1093/nar/21.12.2797. PMC 309655. PMID  8332488 . 
  5. ^ Ямагиши MEB (2017). Математическая грамматика биологии . SpringerBriefs in Mathematics. Springer. arXiv : 1112.1528 . doi : 10.1007/978-3-319-62689-5. ISBN 978-3-319-62688-8. S2CID  16742066.
  6. ^ Ямагиши М.Э., Хераи Р.Х. (2011). «Грамматика биологии» Чаргаффа: новые фрактальные правила . SpringerBriefs по математике. arXiv : 1112.1528 . дои : 10.1007/978-3-319-62689-5. ISBN 978-3-319-62688-8. S2CID  16742066.
  7. ^ Митчелл Д., Бридж Р. (2006). «Проверка второго правила Чаргаффа». Biochem Biophys Res Commun . 340 (1): 90–94. doi :10.1016/j.bbrc.2005.11.160. PMID  16364245.
  8. ^ Szybalski W, Kubinski H, Sheldrick O (1966). «Пиримидиновые кластеры на транскрибируемой цепи ДНК и их возможная роль в инициации синтеза РНК». Cold Spring Harb Symp Quant Biol . 31 : 123–127. doi :10.1101/SQB.1966.031.01.019. PMID  4966069.
  9. ^ Кристильо AD (1998). Характеристика генов переключения G0/G1 в культивируемых Т-лимфоцитах . Кингстон, Онтарио, Канада: Университет Квинс.
  10. ^ Bell SJ, Forsdyke DR (1999). «Отклонения от правила второй четности Чаргаффа коррелируют с направлением транскрипции». J Theor Biol . 197 (1): 63–76. Bibcode : 1999JThBi.197...63B. doi : 10.1006/jtbi.1998.0858. PMID  10036208.
  11. ^ Lao PJ, Forsdyke DR (2000). «Термофильные бактерии строго соблюдают правило направления транскрипции Шибальского и вежливо нагружают РНК пуринами как аденином, так и гуанином». Genome Research . 10 (2): 228–236. doi :10.1101/gr.10.2.228. PMC 310832 . PMID  10673280. 
  12. ^ Николау С, Альмирантис И (2006). «Отклонения от правила второй четности Чаргаффа в органеллярной ДНК. Взгляд на эволюцию органеллярных геномов». Gene . 381 : 34–41. doi :10.1016/j.gene.2006.06.010. PMID  16893615.
  13. ^ ab Albrecht-Buehler G (2006). "Асимптотически увеличивающееся соответствие геномов правилам второй четности Чаргаффа через инверсии и инвертированные транспозиции". Proc Natl Acad Sci USA . 103 (47): 17828–17833. Bibcode : 2006PNAS..10317828A. doi : 10.1073/pnas.0605553103 . PMC 1635160. PMID  17093051 . 
  14. ^ Перес, Ж.-К. (сентябрь 2010 г.). «Популяции кодонов в одноцепочечной ДНК всего человеческого генома фрактальны и точно настроены золотым сечением 1,618». Междисциплинарные науки: вычислительные науки о жизни . 2 (3): 228–240. doi :10.1007/s12539-010-0022-0. PMID  20658335. S2CID  54565279.
  15. ^ Пьеро Фариселл, Кристиан Таччоли, Лука Пагани и Амос Маритан (апрель 2020 г.). «Симметрия последовательностей ДНК вследствие случайности: происхождение второго правила четности Чаргаффа». Брифинги по биоинформатике . 22 (bbaa04): 2172–2181. дои : 10.1093/нагрудник/bbaa041 . ПМЦ 7986665 . ПМИД  32266404. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  16. ^ Бансал М (2003). «Структура ДНК: Пересмотр двойной спирали Уотсона-Крика» (PDF) . Current Science . 85 (11): 1556–1563. Архивировано из оригинала (PDF) 2014-07-26 . Получено 2013-07-26 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

  1. ^ Hallin PF, David Ussery D (2004). «База данных атласа генома CBS: динамическое хранилище для биоинформатических результатов и данных о последовательностях». Биоинформатика . 20 (18): 3682–3686. doi : 10.1093/bioinformatics/bth423 . PMID  15256401.