stringtranslate.com

Трехцепочечная ДНК

Триплексная структура ДНК. Стрелки идут от 5' конца к 3' концу. ( PDB : 1BWG ​)

Трехцепочечная ДНК (также известная как H-ДНК или Триплекс-ДНК ) — это структура ДНК , в которой три олигонуклеотида обвиваются друг вокруг друга и образуют тройную спираль . В трехцепочечной ДНК третья цепь связывается с двойной спиралью ДНК B-формы (через спаривание оснований Уотсона-Крика ) путем формирования пар оснований Хугстина или обратных водородных связей Хугстина.

Структура

Примеры трехцепочечной ДНК из природных источников с необходимым сочетанием базового состава и структурных элементов были описаны, например, в Спутниковой ДНК . [1]

Наиболее стабильное тройное спаривание оснований в трехцепочечной ДНК. Rx-Ry: связывание пар оснований Уотсона и Крика. Ry-Rz: связывание пар оснований Хугестина.

Спаривание оснований Хугстина

Нуклеиновая основа тимина (T) может связываться с парой оснований Уотсона-Крика TA, образуя водородную связь Хугстина . Водородная связь тимина с аденозином (A) исходной двухцепочечной ДНК создает триплет оснований TA*T. [2]

[3]

Межмолекулярные и внутримолекулярные взаимодействия

Базовые триады триплексов H-ДНК: CG*G, TA*A, TA*T, CG*A + .

Существует два класса триплексных ДНК: межмолекулярные и внутримолекулярные образования. Межмолекулярный триплекс относится к образованию триплекса между дуплексом и другой (третьей) цепью ДНК. Третья цепь может быть либо из соседней хромосомы, либо из триплексообразующего олигонуклеотида (TFO). Внутримолекулярный триплекс ДНК образуется из дуплекса с гомопуриновыми и гомопиримидиновыми цепями с зеркально-повторяющейся симметрией. [4] Степень суперспирализации ДНК влияет на количество образующегося внутримолекулярного триплекса. [5] Существует два различных типа внутримолекулярного триплекса ДНК: H-ДНК и H*-ДНК. Образование H-ДНК стабилизируется в кислых условиях и в присутствии двухвалентных катионов, таких как Mg2 + . В этой конформации гомопиримидиновая цепь в дуплексе изгибается назад, чтобы параллельно связаться с пуриновой цепью. Триады оснований, используемые для стабилизации этой конформации, — это TA*T и CG*A + . Цитозин этой триады оснований должен быть протонирован для образования этой внутримолекулярной тройной спирали, поэтому эта конформация стабилизируется в кислых условиях. [6] H*-ДНК имеет благоприятные условия образования при нейтральном pH и в присутствии двухвалентных катионов. [5] Эта внутримолекулярная конформация образуется из-за связывания гомопуриновой и пуриновой цепи дуплекса антипараллельным образом. Она стабилизируется триплетами оснований TA*A и CG*G. [4] [6]

Функция

Триплексообразующие олигонуклеотиды (TFO)

TFO — это короткие (≈15-25 нт) нити нуклеиновой кислоты, которые связываются в большой бороздке двухцепочечной ДНК, образуя внутримолекулярные триплексные структуры ДНК. Есть некоторые свидетельства того, что они также способны модулировать активность генов in vivo . В пептидной нуклеиновой кислоте (ПНК) сахарофосфатный остов ДНК заменяется протеиноподобным остовом. ПНК образуют P-петли, взаимодействуя с дуплексной ДНК, образуя триплекс с одной цепочкой ДНК, вытесняя другую. Предполагалось, что очень необычная рекомбинация или параллельные триплексы, или R-ДНК, образуются под белком RecA в ходе гомологичной рекомбинации. [7]

TFO специфически связываются с гомопурин-гомопиримидиновыми областями, которые часто встречаются в последовательностях промотора и интрона генов, влияя на клеточную сигнализацию. [8] TFO могут ингибировать транскрипцию, связываясь с высокой специфичностью со спиралью ДНК, тем самым блокируя связывание и функцию факторов транскрипции для определенных последовательностей. Вводя TFO в клетку (через трансфекцию или другими способами), можно контролировать экспрессию определенных генов. [9] Это применение имеет новые последствия в сайт-специфическом мутагенезе и генной терапии. В клетках рака предстательной железы человека фактор транскрипции Ets2 сверхэкспрессируется и, как полагают, стимулирует рост и выживание клеток при таком избытке. Карбоне и др. разработали специфичный для последовательности TFO для последовательности промотора Ets2, который подавлял экспрессию гена и приводил к замедлению роста клеток и гибели клеток. [10] Чансянь и др. также представили TFO, нацеленный на последовательность промотора bcl-2, гена, ингибирующего апоптоз. [11]

Наблюдаемое ингибирование транскрипции также может иметь негативные последствия для здоровья, как и его роль в рецессивном аутосомном гене атаксии Фридрейха . [12] При атаксии Фредрика образование триплексной ДНК нарушает экспрессию интрона 1 гена FXN . Это приводит к дегенерации нервной системы и спинного мозга, нарушая движение конечностей. [13] Для борьбы с этой триплексной нестабильностью было показано, что белки эксцизионной репарации нуклеотидов (NER) распознают и восстанавливают трехцепочечные структуры ДНК, восстанавливая полную доступность ранее ингибированного и нестабильного гена. [14]

Структура PNA. PDB ID: 1PNN Proteopedia

Пептидные нуклеиновые кислоты (ПНК)

Пептидные нуклеиновые кислоты представляют собой синтетические олигонуклеотиды, которые устойчивы к деградации протеазой и используются для индукции репарации в участках формирования триплекса на участках геномной ДНК, специфичных для определенного участка. ПНК способны связываться с высокой аффинностью и специфичностью последовательности с комплементарной последовательностью ДНК посредством связывания пар оснований Уотсона-Крика и способны образовывать тройные спирали посредством связей Хугстина с параллельной ориентацией с ПНК, обращенной к 5'-концу цепи ДНК. [15] Триплекс ПНК-ДНК стабилен, поскольку ПНК состоят из нейтрально заряженного псевдопептидного остова, который связывается с последовательностью двухцепочечной ДНК (дцДНК). [16] Подобно гомопиримидину в ТФО, гомопиримидин в ПНК способен образовывать связь с комплементарным гомопурином в целевой последовательности дцДНК. Эти аналоги ДНК способны связываться с дцДНК, используя условия окружающей ДНК и различные предсказывающие режимы распознавания. Это отличается от TFO, которые связываются посредством распознавания большой бороздки двухцепочечной ДНК. [15]

Одним из предсказывающих способов распознавания, используемых для распознавания, является дуплексное вторжение. [17] [16] В смешанной последовательности dsDNA A–T/G–C нацеливается пара псевдокомплементарных (pc) PNA, которые способны связываться с dsDNA посредством двойной инвазии посредством одновременного образования диаминопурина (D) и тиоурацила (U s ), которые заменяют аденин и тимин соответственно. [17] Пара pc PNA образует DT и U s -A и GC или CG спаренную спираль PNA-DNA Уотсона-Крика с каждой из комплементарных цепей ДНК. Другая форма распознаваемой дуплексной инвазии в целевой последовательности может происходить в dsDNA, содержащей смешанные последовательности T–C. [18] Эта форма дуплексного вторжения достигается посредством комплементарной последовательности гомопуриновых олигомеров PNA. Этот триплекс образован из гибрида ПНК-ДНК, который связывается антипараллельно с комплементарной последовательностью ДНК и приводит к смещению некомплементарной цепи ДНК. [16]

Кроме того, PNA может быть модифицирована для формирования триплексных структур «зажима» в целевом сайте. [17] Одним из типов образованного «зажима» является структура бис-PNA, в которой две молекулы PNA удерживаются вместе гибким линкером, таким как 8-амино-3,6-диоксаоктановая кислота (O). [19] Структура бис-PNA образует триплекс PNA-DNA-PNA в целевом сайте, где одна цепь образует пары оснований Уотсона-Крика с ДНК в антипараллельной ориентации, а другая цепь образует пары оснований Хугстина с гомопуриновой цепью ДНК в дуплексе ДНК-PNA. [18] Хвостовой зажим PNA (tcPNA) также является другой формой триплексного зажима, который также может быть образован. TcPNA содержат удлиненный хвост длиной 5-10 п.н., который образует дуплекс PNA/DNA в дополнение к «зажиму» PNA-DNA-PNA. Это позволяет более специфическое связывание PNA без необходимости в гомопиримидиновом/пиридиновом растяжении. [16] Было показано, что эти зажимные структуры имеют высокое сродство и специфичность. Добавление остатков лизина к одному или обоим концам PNA может быть использовано для увеличения клеточного поглощения и связывания. [17]

Генетическая регуляция

Трехцепочечная ДНК вовлечена в регуляцию нескольких генов. Например, ген c- myc был широко мутирован для изучения роли, которую триплексная ДНК, в сравнении с линейной последовательностью, играет в регуляции генов. Элемент промотора c- myc , называемый чувствительным к нуклеазе элементом или NSE, может образовывать тандемные внутримолекулярные триплексы типа H-ДНК и имеет повторяющийся мотив последовательности (ACCCTCCCC) 4 . Мутантный NSE был исследован на транскрипционную активность и на его способность образовывать внутри- и межмолекулярные триплексы. Транскрипционную активность мутантных NSE можно предсказать по способности элемента образовывать H-ДНК, а не по числу повторов, положению или числу мутантных пар оснований. Таким образом, ДНК может быть динамическим участником транскрипции гена c-myc. [20]

Экспрессия генов

Согласно нескольким опубликованным статьям, H-DNA обладает способностью регулировать экспрессию генов в зависимости от таких факторов, как местоположение и последовательности в близости. Хотя межгенные области прокариотического генома показали низкие следы естественно встречающихся H-DNA или триплексных мотивов, структуры H-DNA оказались более распространенными в эукариотическом геноме. Было показано, что H-DNA особенно распространена в клетках млекопитающих, включая человека (1 на каждые 50 000 п.н.). [15] Генетические последовательности, участвующие в регуляции генов, обычно находятся в промоторных областях эукариотического генома. [15]

Следовательно, область промотора продемонстрировала способность образовывать H-ДНК с более высокой частотой. [15] Биоинформатический анализ генома S. cerevisiae выявил наличие H-ДНК и других мотивов триплетной ДНК в четырех организационных областях: интронах, экзонах, областях промотора и прочих областях. Биоинформатика выявила в общей сложности 148 возможных структур H-ДНК или триплетной ДНК. Область промотора объясняла более высокую частоту с 71 структурой триплетной ДНК, в то время как экзоны объясняли 57 структур триплетной ДНК, а интроны и прочие области объясняли 2 и 18 структур. [21]

Исследования экспрессии генома эукариот in vitro и in vivo привели к одному из трех результатов: повышение регуляции, понижение регуляции или отсутствие изменений в присутствии мотивов H-ДНК. [15] Като и др. сообщили об усилении экспрессии lacZ , когда H-ДНК была введена в промотор B-лактамазы . [22] [15] С другой стороны, похожее исследование (Brachmachari et al. ) не сообщило о статистически значимом ингибировании репортерного гена lacZ , когда H-ДНК была введена в геном клеток COS млекопитающих. [15] Хотя исследования предполагают регуляцию H-ДНК, механизм все еще изучается. Потаман и др . связывают механизм регуляции гена с взаимодействиями между H-ДНК и боксом TATA, обнаруженным в промоторной области Na,K-АТФазы . В образованиях H-ДНК, прилегающих к ТАТА-боксу, структура H-ДНК дестабилизирует связи ТА, необходимые для транскрипции. Вмешательство в ТАТА-бокс подавляет транскрипционный аппарат и инициацию транскрипции, что мешает экспрессии генов. [15] [23] Другие механизмы, связанные с геномной экспрессией генетической последовательности в присутствии H-ДНК, включают TFO. Исследования in vitro выявили снижение экспрессии генов в присутствии TFO в клетках млекопитающих. [24] Другой возможный механизм, представленный Валентиной и др., предполагает, что 13-мерный AG-мотив олигонуклеотидный триплексный комплекс (комплекс TFO) подавляет транскрипцию мРНК посредством конкурентного ингибирования. [25] Прямое ингибирование экспрессии генов из H-ДНК является ключом к мутагенезу, ингибированию репликации и даже рекомбинации ДНК в геноме. [15]

Рекомбинация

A) Кристаллическая структура RecA-ДНК и образование D-петли B) H-структура ДНК RecA, PDB: 7JY7

Было показано, что мотивы H-ДНК стимулируют гомологичную рекомбинацию с помощью различных механизмов. Первые выводы о роли H-ДНК в рекомбинации появились в начале 1990-х годов при наблюдении за RecA , бактериальным белком рекомбинации ДНК, состоящим из трехспиральной ДНК. RecA проявляет ферментативную активность, необходимую для рекомбинации. [7] [26] Гомологичная рекомбинация с участием мотивов H-ДНК также была обнаружена у эукариот. Было показано, что RadA, гомологичный белок RecA, имеет ту же ферментативную активность в рекомбинации, что и RecA. [27] Белок обладает способностью продвигать и обмениваться гомологичными цепями через параллельные трехцепочечные спирали. [28] [29] Одноцепочечная ДНК (ssDNA) и комплементарная двухцепочечная ДНК (dsDNA) будут образовывать структуру D-петли. [30] [15] Другой возможный механизм для RecA включает одноцепочечную ДНК из двух отдельных структур H-ДНК для формирования пар оснований Уотсона-Крика. Новая структура известна как соединение Холлидея, промежуточное звено в гомологичной рекомбинации. [15] H-ДНК также обнаруживается в других формах рекомбинации. В клетках млекопитающих последовательности H-ДНК демонстрируют высокую частоту рекомбинации. Например, исследование, проведенное на линии клеток миеломы мышей, обнаружило структуры H-ДНК в Cγ2a и Cγ2b, которые участвуют в обмене сестринскими хроматидами. [15]

Биологические последствия

Генетическая нестабильность

Значительные исследования были направлены на биологические последствия, связанные с присутствием H-ДНК в основных точках разрыва (Mbr) и двухцепочечных точках разрыва определенных генов. Недавние работы связали присутствие структур не-B-ДНК со случаями генетической нестабильности. [31]

Полипуриновые зеркально-повторные H-ДНК-формирующие последовательности были обнаружены по соседству с промотором P1 гена c-MYC и связаны с основными горячими точками разрыва этого региона. Случаи генетической нестабильности также наблюдались у потомства F1 трансгенных мышей после включения человеческих H-ДНК-формирующих последовательностей в паре с Z-ДНК -последовательностями в их геномы, где ранее не сообщалось о нестабильности. [32] Кроме того, образование R. RY H-ДНК-конформаций наблюдалось в Mbr гена bcl-2 . Было высказано предположение, что образование этих структур вызывает транслокацию t(14;18), наблюдаемую при многих видах рака и большинстве фолликулярных лимфом . Это наблюдение привело к исследованию, которое показало, что существенное снижение событий транслокации можно наблюдать после блокирования образования H-ДНК путем небольшого изменения последовательности этого региона. [32] [33] Также было обнаружено, что длинные тракты GAA·TTC образуют очень стабильные структуры H-ДНК. Было показано, что взаимодействия между этими двумя структурами H-ДНК, называемыми липкой ДНК, прерывают транскрипцию гена X25 или фратаксина . Поскольку пониженные уровни белка фратаксина связаны с атаксией Фридрейха , было высказано предположение, что формирование этой нестабильности является основой этого генетического заболевания. [34] [35] Трехцепочечная ДНК наблюдалась в суперспиральной сателлитной ДНК в регионах, где число копий микросателлитов сильно варьируется, наряду со структурами Z-ДНК с инвертированным повтором в пределах более крупной единицы повтора сателлитной ДНК размером 2,1 кб. [36]

Кроме того, было показано, что H-DNA вызывает мутации, связанные с критическими клеточными процессами, такими как репликация и транскрипция ДНК . [37] Важность этих процессов для выживания привела к разработке сложных механизмов репарации ДНК , которые позволяют клеткам распознавать и исправлять повреждения ДНК. Неканонические структуры ДНК могут восприниматься клеткой как повреждения, и недавние исследования показали повышенную распространенность мутаций вблизи последовательностей, не образующих B-ДНК. [37] Некоторые из этих мутаций обусловлены взаимодействием между H-DNA и ферментами, участвующими в репликации и транскрипции ДНК, где H-DNA вмешивается в эти процессы и запускает различные механизмы репарации ДНК. Это может вызвать генетическую нестабильность и вовлекает H-DNA в образование рака. [37]

репликация ДНК

Было показано, что репликация ДНК влияет на функцию различных ферментов репарации ДНК. Образование H-ДНК включает образование одноцепочечной ДНК (ssDNA), которая более восприимчива к атакам нуклеаз . [37] Было показано, что различные нуклеазы взаимодействуют с H-ДНК репликационно-зависимым или репликационно-независимым образом. [37]

Исследование с использованием человеческих клеток показало, что нуклеазы эксцизионной репарации нуклеотидов (NER) ERCC1-XPF и ERCC1-XPG вызывают генетическую нестабильность. [38] Эти ферменты расщепляют H-ДНК в петле, образованной двумя нитями с водородными связями Хугстина и 5'-концом другой нити с водородными связями Уотсона-Крика соответственно. [38] Было показано, что это расщепление вызывает большие делеции , которые вызывают двухцепочечные разрывы (DSB) в ДНК, что может привести к генетической нестабильности. [37] [38] В клетках с дефицитом ERCC1-XPF и ERCC1-XPG эти делеции были менее распространены вблизи последовательностей формирования H-ДНК. [38] Кроме того, в клетках с дефицитом ERCC1-XPF и ERCC1-XPG было обнаружено больше мутаций при отсутствии репликации ДНК, что позволяет предположить, что они обрабатывают H-ДНК репликационно-независимым образом. [38]

В качестве альтернативы было обнаружено, что нуклеаза репарации ДНК-репликации FEN1 подавляет генетическую нестабильность. [38] Подобно ERCC1-XPG, FEN1 расщепляет H-ДНК на 5'-конце цепи, не участвующей в образовании водородных связей Хугстина. [38] Клетки HeLa с дефицитом FEN1 показали более высокую распространенность делеций вблизи последовательностей, формирующих H-ДНК, но мутагенез, вызванный H-ДНК, был более выражен в клетках с дефицитом FEN1 в присутствии репликации ДНК. [38] Это говорит о том, что FEN1 подавляет мутагенез, вызванный H-ДНК, зависимым от репликации образом. [38]

H-ДНК была вовлечена в этиологию рака у человека из-за распространенности последовательностей, образующих H-ДНК, вблизи точек разрыва транслокации в раковых геномах. [38] Репликационная опосредованная нуклеазная активность с H-ДНК подчеркивает еще один способ, которым H-ДНК вызывает мутагенез и приводит к росту рака.

Транскрипция

Последовательности формирования H-ДНК также могут вызывать генетическую нестабильность, вмешиваясь в транскрипцию и останавливая ее преждевременно. [37] Раскручивание ДНК, участвующее в транскрипции, делает ее более восприимчивой к повреждениям. При репарации, связанной с транскрипцией (TCR), повреждение на матричной цепи ДНК останавливает функцию РНК-полимеразы и сигнализирует факторам TCR о необходимости устранения повреждения путем его вырезания. [39] H-ДНК можно рассматривать как одно из таких повреждений.

Исследование, наблюдающее транскрипцию РНК-полимеразой T7 на стабильном аналоге последовательности, формирующем H-ДНК, обнаружило блокировку транскрипции на стыке дуплекс-триплекс. Здесь нить шаблона была центральной нитью H-ДНК, и сложность разрыва ее водородных связей Уотсона-Крика и Хугстина остановила транскрипцию. [40]

Когда транскрипция T7 наблюдалась на промотере P0 ​​гена c-MYC , укороченные продукты транскрипции, которые были обнаружены, указывали на то, что транскрипция была остановлена ​​в непосредственной близости от последовательности формирования H-ДНК ниже промотора. Образование H-ДНК в этой области не позволяет T7 перемещаться по цепи матрицы из-за стерических препятствий, которые он вызывает. Это останавливает транскрипцию и дает сигнал факторам TCR прийти и разрешить H-ДНК, что приводит к вырезанию ДНК, которое может вызвать генетическую нестабильность. [39] Зеркальная симметрия и преобладание остатков гуанина в гене c-MYC придают ему высокую склонность к формированию неканонической структуры ДНК. [41] Это в сочетании с активностью факторов TCR во время транскрипции делает его высокомутагенным, играя роль в развитии лимфомы Беркитта и лейкемии . [39] [41]

Приложения

Трехцепочечные участки ДНК могут быть получены посредством ассоциации триплексообразующих олигонуклеотидов (TFO) и пептидных нуклеиновых кислот (PNA). Исторически было показано, что связывание TFO ингибирует транскрипцию, репликацию и связывание белка с ДНК. [17] Также было показано, что TFO, привязанные к мутагенам, способствуют повреждению ДНК и вызывают мутагенез. [15] Хотя известно, что TFO препятствует транскрипции и репликации ДНК, недавние исследования показали, что TFO можно использовать для опосредования сайт-специфических модификаций генов как in vitro , так и in vivo . [17] Другое недавнее исследование также показало, что TFO можно использовать для подавления онкогенов и протоонкогенов с целью снижения роста раковых клеток. Например, недавнее исследование использовало TFO для снижения клеточной гибели в клетках гепатомы путем снижения экспрессии MET.

PNA TFO обладают способностью усиливать частоты рекомбинации, что приводит к целенаправленному, специфическому редактированию генов. Триплексная спираль PNA-DNA-PNA способна распознаваться собственным механизмом репарации ДНК клетки, который сенсибилизирует окружающую ДНК для гомологичной рекомбинации. Для того чтобы сайт-специфическая структура PNA опосредовала рекомбинацию в последовательности ДНК, бис-PNA-структура может быть связана с 40-нуклеотидным фрагментом ДНК, который гомологичен соседнему региону на целевом гене. [18] Было показано, что связывание TFO с донорской цепью ДНК вызывает рекомбинацию целевого гена и соседнего целевого региона гена. [42] Механизм этой формы рекомбинации и репарации был связан с путем репарации нуклеотидов эксцизионной репарации (NER), играющим роль в распознавании и восстановлении триплексных структур. [18] [17] Многочисленные исследования показывают, что группа A пигментной ксеродермы (XPA) и репликационный белок A (RPA), которые являются факторами NER, способны специфически связываться в виде комплекса с перекрестно-сшитыми триплексными структурами. Известно, что этот механизм наряду с другими играет роль в распознавании и восстановлении триплексных структур.

Доставка TFO in vivo была основным препятствием в использовании TFO для модификации генов. [43] В одном исследовании по нацеливанию гемопоэтических стволовых клеток in vivo была предложена новая техника конъюгации молекул PNA с проникающим в клетку пептидом (CPP) вместе с наночастицами поли(молочной-со-гликолевой кислоты) ( PLGA ) для обеспечения возможности модификаций 6 п.н. в гене CCR5 . [42] Редактирование гена CCR5 было связано с устойчивостью к ВИЧ-1. [44] CPP — это белки, которые способны успешно переносить «груз», такой как небольшие белки или молекулы, в клетки. PGLA — это биоразлагаемый материал, который инкапсулирует молекулы PNA в виде наночастиц для сайт-специфических модификаций генома. [42] Исследование показало, что наночастицы PNA-DNA PGLA способны эффективно редактировать гемопоэтические стволовые клетки с меньшей токсичностью и без вирусов, а конъюгация с CPP обеспечивает прямое нацеливание генов для сайт-специфического мутагенеза в стволовых клетках.

В новом исследовании генной терапии муковисцидоза (МВ) были разработаны три пептидные нуклеиновые кислоты (ПНК) с зажимом хвоста вместе с донорской молекулой ДНК для доставки с помощью наночастиц для исправления мутаций F508 del в регуляторе трансмембранной проводимости муковисцидоза ( CFTR ) в эпителиальных клетках бронхов человека in vivo и in vitro. [45] Мутация F508 del является наиболее часто встречающейся мутацией, которая приводит к развитию у человека МВ. [46] Мутация F508 приводит к потере функции CFTR, который представляет собой хлоридный канал плазматической мембраны, регулируемый циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ). В этом исследовании им удалось создать новый подход к лечению муковисцидоза посредством использования наночастиц для исправления мутации F508 del CFTR как in vitro в клетках бронхиального эпителия человека (HBE), так и in vivo в мышиной модели муковисцидоза, что привело к появлению CFTR-зависимого транспорта хлорида. [45]

История

Ныне опровергнутая ранняя спекулятивная структура тройной спирали, предложенная Полингом и Кори в 1953 году.

Трехцепочечные структуры ДНК были распространенными гипотезами в 1950-х годах, когда ученые пытались обнаружить истинную структурную форму ДНК. Уотсон и Крик (которые позже получили Нобелевскую премию за свою модель двойной спирали) изначально рассматривали модель тройной спирали, как и Полинг и Кори , которые опубликовали предложение для своей модели тройной спирали в 1953 году, [47] [48], а также их коллега-ученый Фрейзер. [49] Однако Уотсон и Крик вскоре выявили несколько проблем с этими моделями:

Модель Фрейзера отличалась от модели Полинга и Кори тем, что в его модели фосфаты находятся снаружи, а основания — внутри, соединенные вместе водородными связями. Однако Уотсон и Крик сочли модель Фрейзера слишком неопределенной, чтобы конкретно прокомментировать ее недостатки.

Альтернативная структура трехцепочечной ДНК была описана в 1957 году. [50] Фельзенфельд, Дэвис и Рич предсказали, что если одна цепь содержит только пурины, а другая цепь — только пурины, цепь претерпит конформационные изменения, образуя трехцепочечную спираль ДНК. Было предсказано, что трехцепочечная ДНК (H-ДНК) состоит из одной полипуриновой и двух полипиримидиновых цепей. [7] [50] Считалось, что это происходит только в одном биологическом процессе in vivo : как промежуточный продукт во время действия фермента рекомбинации E. coli RecA . [50] Ранние модели в 1960-х годах предсказывали образование комплексов между полицетиловыми и гуаниновыми олигонуклеотидами. Модели предполагали взаимодействия, известные как спаривание Хугстена (не-Уотсон-Криковские взаимодействия), расположенные в большой бороздке. [7] Вскоре после этого были предсказаны тройные спирали, состоящие из одной пиримидиновой и двух пуриновых цепей. [7] Открытие участков H-ДНК в суперспиральных плазмидах вызвало современный интерес к потенциальной функции триплексных структур в живых клетках. [51] Кроме того, вскоре было обнаружено, что гомопиримидин и некоторые богатые пурином олигонуклеотиды способны образовывать стабильную структуру H-ДНК со структурами, специфичными для связывания гомопурина и гомопиримидина, на дуплексах ДНК. [52]

Ссылки

  1. ^ [Фаулер, РФ; Скиннер, ДМ (1986-07-05). «Эукариотическая ДНК расходится в длинном и сложном пиримидиновом: пуриновом тракте, который может принимать измененные конформации». Журнал биологической химии. 261 (19): 8994–9001. PMID 3013872.]
  2. ^ Rhee S, Han Z, Liu K, Miles HT, Davies DR (декабрь 1999 г.). «Структура тройной спирали ДНК с триплексно-дуплексным соединением». Биохимия . 38 (51): 16810–5. doi :10.1021/bi991811m. PMID  10606513.
  3. ^ Mergny JL, Sun JS, Rougée M, Montenay-Garestier T, Barcelo F, Chomilier J, Hélène C (октябрь 1991 г.). «Специфичность последовательности в образовании тройной спирали: экспериментальные и теоретические исследования влияния несоответствий на стабильность триплекса». Biochemistry . 30 (40): 9791–8. doi :10.1021/bi00104a031. PMID  1911764.
  4. ^ ab Ussery DW, Sinden RR (июнь 1993 г.). "Влияние окружающей среды на уровень внутримолекулярной триплексной ДНК в Escherichia coli in vivo". Биохимия . 32 (24): 6206–13. doi :10.1021/bi00075a013. PMID  8512930.
  5. ^ ab Dayn A, Samadashwily GM, Mirkin SM (декабрь 1992 г.). «Внутримолекулярные триплексы ДНК: необычные требования к последовательности и влияние на полимеризацию ДНК». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 89 (23): 11406–10. Bibcode : 1992PNAS...8911406D. doi : 10.1073 /pnas.89.23.11406 . PMC 50559. PMID  1454828. 
  6. ^ ab Лямичев VI, Миркин SM, Франк-Каменецкий MD (февраль 1986). "Структуры гомопурин-гомопиримидинового тракта в суперспиральной ДНК". Журнал биомолекулярной структуры и динамики . 3 (4): 667–9. doi :10.1080/07391102.1986.10508454. PMID  3271043.
  7. ^ abcde Франк-Каменецкий МД, Миркин СМ (1995-01-01). "Триплексные структуры ДНК". Annual Review of Biochemistry . 64 : 65–95. doi :10.1146/annurev.bi.64.070195.000433. PMID  7574496. S2CID  21426188.
  8. ^ Браздова М, Тихий В, Хельма Р, Бажантова П, Полашкова А, Крейчи А и др. (2016). «p53 специфически связывает триплексную ДНК in vitro и в клетках». ПЛОС ОДИН . 11 (12): e0167439. Бибкод : 2016PLoSO..1167439B. дои : 10.1371/journal.pone.0167439 . ПМК 5131957 . ПМИД  27907175. 
  9. ^ Graham MK, Brown TR, Miller PS (апрель 2015 г.). «Нацеливание гена рецептора андрогенов человека с помощью платинированных триплекс-образующих олигонуклеотидов». Биохимия . 54 (13): 2270–82. doi :10.1021/bi501565n. PMID  25768916.
  10. ^ Carbone GM, Napoli S, Valentini A, Cavalli F, Watson DK, Catapano CV (2004-08-03). «Триплексная ДНК-опосредованная регуляция экспрессии Ets2 приводит к ингибированию роста и апоптозу в клетках рака простаты человека». Nucleic Acids Research . 32 (14): 4358–67. doi :10.1093/nar/gkh744. PMC 514370. PMID  15314206 . 
  11. ^ Shen C, Rattat D, Buck A, Mehrke G, Polat B, Ribbert H и др. (февраль 2003 г.). «Нацеливание bcl-2 с помощью триплекс-формирующего олигонуклеотида — перспективного носителя для генной радиотерапии». Cancer Biotherapy & Radiopharmaceuticals . 18 (1): 17–26. doi :10.1089/108497803321269296. PMID  12667305.
  12. ^ Sakamoto N, Chastain PD, Parniewski P, Ohshima K, Pandolfo M, Griffith JD, Wells RD (апрель 1999 г.). «Липкая ДНК: свойства самоассоциации длинных повторов GAA.TTC в триплексных структурах RRY при атаксии Фридрейха». Molecular Cell . 3 (4): 465–75. doi : 10.1016/s1097-2765(00)80474-8 . PMID  10230399.
  13. ^ Bacolla A, Wells RD (апрель 2009 г.). «Не-B-конформации ДНК как детерминанты мутагенеза и заболеваний человека». Молекулярный канцерогенез . 48 (4): 273–85. doi :10.1002/mc.20507. PMID  19306308. S2CID  5493647.
  14. ^ Каушик Тивари М., Адаку Н., Пирт Н., Роджерс ФА. (сентябрь 2016 г.). «Триплексные структуры вызывают разрывы двойной цепи ДНК посредством коллапса репликативной вилки в клетках с дефицитом NER». Nucleic Acids Research . 44 (16): 7742–54. doi :10.1093/nar/gkw515. PMC 5027492. PMID 27298253  . 
  15. ^ abcdefghijklmn Jain A, Wang G, Vasquez KM (август 2008 г.). «Тройные спирали ДНК: биологические последствия и терапевтический потенциал». Biochimie . 90 (8): 1117–30. doi :10.1016/j.biochi.2008.02.011. PMC 2586808 . PMID  18331847. 
  16. ^ abcd Hansen ME, Bentin T, Nielsen PE (июль 2009 г.). «Высокоаффинное триплексное нацеливание двухцепочечной ДНК с использованием химически модифицированных олигомеров пептидных нуклеиновых кислот». Nucleic Acids Research . 37 (13): 4498–507. doi :10.1093/nar/gkp437. PMC 2715256. PMID  19474349 . 
  17. ^ abcdefg Ricciardi AS, McNeer NA, Anandalingam KK, Saltzman WM, Glazer PM (2014). «Целевая модификация генома посредством формирования тройной спирали». В Wajapeyee N (ред.). Cancer Genomics and Proteomics . Methods in Molecular Biology. Vol. 1176. New York, NY: Springer New York. pp. 89–106. doi :10.1007/978-1-4939-0992-6_8. ISBN 978-1-4939-0991-9. PMC  5111905 . PMID  25030921.
  18. ^ abcd Rogers FA, Vasquez KM, Egholm M, Glazer PM (декабрь 2002 г.). «Сайт-направленная рекомбинация с помощью бифункциональных конъюгатов PNA-DNA». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (26): 16695–700. Bibcode :2002PNAS...9916695R. doi : 10.1073/pnas.262556899 . PMC 139206 . PMID  12461167. 
  19. ^ Монтазерсахеб С., Хеджази М.С., Нозад Чарудех Х. (ноябрь 2018 г.). «Потенциал пептидных нуклеиновых кислот в будущих терапевтических применениях». Advanced Pharmaceutical Bulletin . 8 (4): 551–563. doi :10.15171/apb.2018.064. PMC 6311635. PMID  30607328 . 
  20. ^ Firulli AB, Maibenco DC, Kinniburgh AJ (апрель 1994 г.). «Способность формирования триплекса элементом промотора c-myc предсказывает силу промотора». Архивы биохимии и биофизики . 310 (1): 236–42. doi :10.1006/abbi.1994.1162. PMID  8161210.
  21. ^ Zain R, Sun JS (май 2003 г.). «Возникают ли и функционируют ли in vivo естественные тройные спиральные структуры ДНК?». Cellular and Molecular Life Sciences . 60 (5): 862–70. doi : 10.1007/s00018-003-3046-3. PMC 11138710. PMID  12827276. S2CID  6227195. 
  22. ^ Като М., Шимизу Н. (октябрь 1992 г.). «Влияние потенциального участка триплексной ДНК на экспрессию in vitro гена бактериальной бета-лактамазы в суперспиральных рекомбинантных плазмидах». Журнал биохимии . 112 (4): 492–4. doi :10.1093/oxfordjournals.jbchem.a123927. PMID  1491004.
  23. ^ Potaman VN, Ussery DW, Sinden RR (июнь 1996 г.). «Формирование комбинированной структуры H-ДНК/открытого ТАТА-бокса в промоторной последовательности гена Na,K-АТФазы альфа2 человека». Журнал биологической химии . 271 (23): 13441–7. doi : 10.1074/jbc.271.23.13441 . PMID  8662935. S2CID  46550975.
  24. ^ Seidman MM, Glazer PM (август 2003 г.). «Потенциал восстановления генов посредством образования тройной спирали». Журнал клинических исследований . 112 (4): 487–94. doi :10.1172/JCI19552. PMC 171401. PMID  12925687 . 
  25. ^ Rapozzi V, Cogoi S, Spessotto P, Risso A, Bonora GM, Quadrifoglio F, Xodo LE (январь 2002 г.). «Эффект антигена в клетках K562 конъюгированного с ПЭГ триплекс-образующего олигонуклеотида, нацеленного на онкоген bcr/abl». Биохимия . 41 (2): 502–10. doi :10.1021/bi011314h. PMID  11781088.
  26. ^ Bertucat G, Lavery R, ​​Prévost C (декабрь 1998 г.). «Модель образования параллельной тройной спирали с помощью RecA: одиночная-одиночная ассоциация с гомологичным дуплексом через малую бороздку». Журнал биомолекулярной структуры и динамики . 16 (3): 535–46. doi :10.1080/07391102.1998.10508268. PMID  10052612.
  27. ^ Chen J, Tang Q, Guo S, Lu C, Le S, Yan J (сентябрь 2017 г.). «Параллельная триплексная структура, образованная между растянутой одноцепочечной ДНК и гомологичной дуплексной ДНК». Nucleic Acids Research . 45 (17): 10032–10041. doi :10.1093/nar/gkx628. PMC 5622322. PMID  28973442 . 
  28. ^ Camerini-Otero RD, Hsieh P (апрель 1993 г.). «Параллельные триплексы ДНК, гомологичная рекомбинация и другие зависящие от гомологии взаимодействия ДНК». Cell . 73 (2): 217–23. doi :10.1016/0092-8674(93)90224-e. PMID  8477443. S2CID  34585948.
  29. ^ Bertucat G, Lavery R, ​​Prévost C (сентябрь 1999 г.). «Молекулярная модель обмена цепями, стимулируемого RecA, через параллельные трехцепочечные спирали». Biophysical Journal . 77 (3): 1562–76. Bibcode :1999BpJ....77.1562B. doi :10.1016/S0006-3495(99)77004-9. PMC 1300444 . PMID  10465767. 
  30. ^ Yang H, Zhou C, Dhar A, Pavletich NP (октябрь 2020 г.). «Механизм обмена цепями из синаптических и D-петлевых структур RecA-ДНК». Nature . 586 (7831): 801–806. Bibcode :2020Natur.586..801Y. doi :10.1038/s41586-020-2820-9. PMC 8366275 . PMID  33057191. S2CID  222349650. 
  31. ^ McKinney JA, Wang G, Mukherjee A, Christensen L, Subramanian SH, Zhao J, Vasquez KM (январь 2020 г.). «Различные пути восстановления ДНК вызывают геномную нестабильность в альтернативных структурах ДНК». Nature Communications . 11 (1): 236. Bibcode :2020NatCo..11..236M. doi :10.1038/s41467-019-13878-9. PMC 6957503 . PMID  31932649. 
  32. ^ ab Wang G, Vasquez KM (июль 2014 г.). «Влияние альтернативных структур ДНК на повреждение ДНК, восстановление ДНК и генетическую нестабильность». Восстановление ДНК . 19 : 143–51. doi : 10.1016/j.dnarep.2014.03.017. PMC 4216180. PMID  24767258 . 
  33. ^ Raghavan SC, Chastain P, Lee JS, Hegde BG, Houston S, Langen R и др. (июнь 2005 г.). «Доказательства конформации тройной ДНК в области основной точки разрыва bcl-2 транслокации t(14;18)». Журнал биологической химии . 280 (24): 22749–60. doi : 10.1074/jbc.M502952200 . PMID  15840562.
  34. ^ Wang G, Vasquez KM (сентябрь 2004 г.). «Естественно встречающиеся последовательности H-ДНК, образующие мутагенные свойства в клетках млекопитающих». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (37): 13448–53. Bibcode : 2004PNAS..10113448W. doi : 10.1073 /pnas.0405116101 . PMC 518777. PMID  15342911. 
  35. ^ Vetcher AA, Napierala M, Iyer RR, Chastain PD, Griffith JD, Wells RD (октябрь 2002 г.). «Липкая ДНК, длинный триплекс GAA.GAA.TTC, который образуется внутримолекулярно, в последовательности интрона 1 гена фратаксина». Журнал биологической химии . 277 (42): 39217–27. doi : 10.1074/jbc.M205209200 . PMID  12161437.
  36. ^ Фаулер, РФ; Скиннер, ДМ (1986-07-05). «Эукариотическая ДНК расходится по длинному и сложному пиримидин:пуриновому тракту, который может принимать измененные конформации». Журнал биологической химии . 38 (1–3): 145–152. PMID  3013872.
  37. ^ abcdefg Ван Г., Васкес К. М. (январь 2017 г.). «Влияние репликации и транскрипции на генетическую нестабильность, связанную со структурой ДНК». Гены . 8 (1): 17. doi : 10.3390/genes8010017 . PMC 5295012. PMID  28067787 . 
  38. ^ abcdefghij Zhao J, Wang G, Del Mundo IM, McKinney JA, Lu X, Bacolla A и др. (январь 2018 г.). «Отдельные механизмы генетической нестабильности, вызванной нуклеазой и структурой ДНК, в раковых геномах». Cell Reports . 22 (5): 1200–1210. doi :10.1016/j.celrep.2018.01.014. PMC 6011834 . PMID  29386108. 
  39. ^ abc Белоцерковский BP, Де Сильва E, Торналетти S, Ван G, Васкес KM, Ханавальт PC (ноябрь 2007 г.). «Триплекс-образующая последовательность из промотора c-MYC человека мешает транскрипции ДНК». Журнал биологической химии . 282 (44): 32433–41. doi : 10.1074/jbc.M704618200 . PMID  17785457. S2CID  24211097.
  40. ^ Pandey S, Ogloblina AM, Belotserkovskii BP, Dolinnaya NG, Yakubovskaya MG, Mirkin SM, Hanawalt PC (август 2015). "Transcription blockage by stable H-DNA analogs in vitro". Nucleic Acids Research . 43 (14): 6994–7004. doi :10.1093/nar/gkv622. PMC 4538819 . PMID  26101261. 
  41. ^ ab Del Mundo IM, Zewail-Foote M, Kerwin SM, Vasquez KM (май 2017 г.). «Формирование альтернативной структуры ДНК в мутагенном человеческом промоторе c-MYC». Nucleic Acids Research . 45 (8): 4929–4943. doi :10.1093/nar/gkx100. PMC 5416782. PMID  28334873 . 
  42. ^ abc McNeer NA, Schleifman EB, Cuthbert A, Brehm M, Jackson A, Cheng C, et al. (июнь 2013 г.). «Системная доставка триплекс-образующей ПНК и донорской ДНК наночастицами опосредует сайт-специфическое редактирование генома гемопоэтических клеток человека in vivo». Gene Therapy . 20 (6): 658–69. doi :10.1038/gt.2012.82. PMC 3713483 . PMID  23076379. 
  43. ^ Hnedzko D, Cheruiyot SK, Rozners E (сентябрь 2014 г.). «Использование пептидных нуклеиновых кислот, формирующих тройную спираль, для селективного распознавания двухцепочечной РНК». Current Protocols in Nucleic Acid Chemistry . 58 : 4.60.1–23. doi : 10.1002/0471142700.nc0460s58. ISSN  1934-9270. PMC 4174339. PMID 25199637  . 
  44. ^ Schleifman EB, Bindra R, Leif J, del Campo J, Rogers FA, Uchil P и др. (сентябрь 2011 г.). «Целевое нарушение гена CCR5 в гемопоэтических стволовых клетках человека, стимулированное пептидными нуклеиновыми кислотами». Химия и биология . 18 (9): 1189–98. doi :10.1016/j.chembiol.2011.07.010. PMC 3183429. PMID  21944757 . 
  45. ^ ab McNeer NA, Anandalingam K, Fields RJ, Caputo C, Kopic S, Gupta A и др. (апрель 2015 г.). «Наночастицы, которые доставляют молекулы пептидной нуклеиновой кислоты, образующие триплекс, корректируют F508del CFTR в эпителии дыхательных путей». Nature Communications . 6 (1): 6952. Bibcode :2015NatCo...6.6952M. doi :10.1038/ncomms7952. PMC 4480796 . PMID  25914116. 
  46. ^ Lukacs GL, Verkman AS (февраль 2012 г.). «CFTR: сворачивание, неправильное сворачивание и исправление конформационного дефекта ΔF508». Trends in Molecular Medicine . 18 (2): 81–91. doi :10.1016/j.molmed.2011.10.003. PMC 3643519. PMID 22138491  . 
  47. ^ Pauling L, Corey RB (февраль 1953 г.). «Предлагаемая структура нуклеиновых кислот». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 39 (2): 84–97. Bibcode :1953PNAS...39...84P. doi : 10.1073/pnas.39.2.84 . PMC 1063734 . PMID  16578429. 
  48. ^ Pauling L, Corey RB (февраль 1953). "Структура нуклеиновых кислот". Nature . 171 (4347): 346. Bibcode :1953Natur.171..346P. doi : 10.1038/171346a0 . PMID  13036888. S2CID  4151877.
  49. ^ Fraser RD (март 2004). «Структура дезоксирибозонуклеиновой кислоты». Журнал структурной биологии . 145 (3): 184–5. doi :10.1016/j.jsb.2004.01.001. PMID  14997898.
  50. ^ abc Felsenfeld G, Davies DR, Rich A (апрель 1957). «Формирование трехцепочечной полинуклеотидной молекулы». Журнал Американского химического общества . 79 (8): 2023–4. doi :10.1021/ja01565a074.
  51. ^ Hanvey JC, Shimizu M, Wells RD (сентябрь 1988 г.). «Внутримолекулярные ДНК-триплексы в суперспиральных плазмидах». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 85 (17): 6292–6. Bibcode : 1988PNAS...85.6292H. doi : 10.1073 /pnas.85.17.6292 . PMC 281955. PMID  3413097. 
  52. ^ Миркин С.М., Лямичев В.И., Друшляк К.Н., Добрынин В.Н., Филиппов С.А., Франк-Каменецкий М.Д. (декабрь 1987). «Н-форма ДНК требует зеркального повтора гомопурин-гомопиримидина». Природа . 330 (6147): 495–7. Бибкод : 1987Natur.330..495M. дои : 10.1038/330495a0. PMID  2825028. S2CID  4360764.

Дальнейшее чтение