В области геометрии и биохимии тройная спираль ( мн.: тройные спирали ) представляет собой набор из трех конгруэнтных геометрических спиралей с одной и той же осью , различающихся перемещением вдоль оси. Это означает, что каждая из спиралей находится на одинаковом расстоянии от центральной оси. Как и одинарная спираль, тройная спираль может характеризоваться шагом, диаметром и направленностью. Примеры тройных спиралей включают триплекс ДНК , [1] триплекс РНК , [2] спираль коллагена , [3] и коллагеноподобные белки .
Тройная спираль названа так потому, что она состоит из трех отдельных спиралей . Каждая из этих спиралей имеет одну и ту же ось, но они не занимают одно и то же пространство, поскольку каждая спираль перемещается под углом вокруг оси. Как правило, идентичность тройной спирали зависит от типа спиралей, из которых она состоит. Например: тройная спираль, состоящая из трех нитей белка коллагена, представляет собой тройную спираль коллагена, а тройная спираль, состоящая из трех нитей ДНК , представляет собой тройную спираль ДНК.
Как и другие типы спиралей, тройные спирали имеют левосторонность: правостороннюю или левостороннюю. Правая спираль движется вокруг своей оси по часовой стрелке от начала до конца. Левая спираль является зеркальным отражением правой спирали и движется вокруг оси против часовой стрелки от начала до конца. [4] Начало и конец спиральной молекулы определяются на основе определенных маркеров в молекуле, которые нелегко изменяются. Например: начало спирального белка — это его N-конец , а начало одиночной цепи ДНК — его 5’-конец . [4]
Тройная спираль коллагена состоит из трех пептидов коллагена, каждый из которых образует собственную левую полипролиновую спираль. [5] Когда три цепи объединяются, тройная спираль принимает правостороннюю ориентацию. Коллагеновый пептид состоит из повторов Gly -XY, причем второй остаток (X) обычно представляет собой Pro , а третий (Y) — гидроксипролин. [6] [5]
Тройная спираль ДНК состоит из трех отдельных цепей ДНК, каждая из которых ориентирована так, что сахарно-фосфатный остов находится снаружи спирали, а основания — внутри спирали. Основания — это часть молекулы, ближайшая к оси тройной спирали, а основная цепь — это часть молекулы, наиболее удаленная от оси. Третья цепь занимает большую бороздку относительно нормального дуплекса ДНК. [7] Основания в триплексной ДНК расположены так, чтобы совпадать в соответствии со схемой спаривания оснований Хугстина . [8] Аналогичным образом, тройные спирали РНК образуются в результате образования одноцепочечной РНК водородных связей с дуплексом РНК; дуплекс состоит из пары оснований Уотсона-Крика, а третья цепь связывается через пару оснований Хугстина. [9]
Тройная спираль коллагена имеет несколько характеристик, повышающих ее стабильность. Когда пролин включается в положение Y последовательности Gly-XY, он посттрансляционно модифицируется до гидроксипролина . [10] Гидроксипролин может вступать в благоприятные взаимодействия с водой, что стабилизирует тройную спираль, поскольку остатки Y в структуре тройной спирали доступны для растворителя. Отдельные спирали также удерживаются вместе обширной сетью амид-амидных водородных связей, образующихся между нитями, каждая из которых вносит примерно -2 ккал/моль в общую свободную энергию тройной спирали. [5] Образование суперспирали не только защищает важные остатки глицина внутри спирали, но также защищает весь белок от протеолиза. [6]
Трехспиральная ДНК и РНК стабилизируются многими из тех же сил, которые стабилизируют двухцепочечные спирали ДНК. Поскольку нуклеотидные основания ориентированы внутрь спирали, ближе к ее оси, основания образуют водородные связи с другими основаниями. Связанные основания в центре исключают воду, поэтому гидрофобный эффект особенно важен для стабилизации тройных спиралей ДНК. [4]
Члены суперсемейства коллагена вносят основной вклад во внеклеточный матрикс. Тройная спиральная структура обеспечивает прочность и стабильность коллагеновых волокон, обеспечивая высокую устойчивость к растягивающим нагрузкам. Жесткость коллагеновых волокон является важным фактором, который может противостоять большинству механических нагрузок, что делает его идеальным белком для макромолекулярного транспорта и общей структурной поддержки во всем организме. [6]
Существуют некоторые олигонуклеотидные последовательности, называемые триплет-образующими олигонуклеотидами (TFO), которые могут связываться с образованием триплекса с более длинной молекулой двухцепочечной ДНК; TFO могут инактивировать ген или помочь вызвать мутации. [7] TFO могут связываться только с определенными участками в более крупной молекуле, поэтому исследователи должны сначала определить, может ли TFO связываться с интересующим геном. Для улучшения этого процесса иногда используют скрученную интеркалирующую нуклеиновую кислоту . Картирование полногеномных пар TFO-TTS путем секвенирования является полезным способом изучения триплексной ДНК во всем геноме с использованием олигобиблиотеки.
В последние годы биологическая функция триплексной РНК стала более изученной. Некоторые роли включают повышение стабильности, трансляции, влияние на связывание лигандов и катализ. Одним из примеров связывания лиганда, на который влияет тройная спираль, является рибопереключатель SAM-II , где тройная спираль создает сайт связывания, который уникальным образом принимает S -аденозилметионин ( SAM ). [9] Теломераза рибонуклеопротеинового комплекса , ответственная за репликацию хвостовых концов ДНК ( теломеры ), также содержит триплексную РНК, которая, как полагают, необходима для правильного функционирования теломеразы. [9] [11] Тройная спираль на 3'-конце длинных некодирующих РНК PAN и MALAT1 служит для стабилизации РНК, защищая хвост Poly(A) от деаденилирования, что впоследствии влияет на их функции в вирусном патогенезе и множественных человеческих раковые заболевания. [9] [12] Кроме того, тройные спирали РНК могут стабилизировать мРНК за счет образования связывающего кармана на 3'-конце поли(А)-хвоста. [13]
TDF — это пакет на основе Python [14] для прогнозирования потенциала образования триплекса РНК-ДНК. Программное обеспечение начинается с перебора подстрок между TFO и TTS и использует статистические тесты, чтобы определить значимый результат по сравнению с фоном.
Triplexfpp [15] основан на методах глубокого обучения. Эти конвейеры на основе Python могут помочь предсказать наиболее вероятную lncRNA, образующую триплекс. Однако, поскольку днРНК для обучения ограничена, предстоит пройти долгий путь, прежде чем можно будет применять методы машинного обучения и глубокого обучения.