Базовая пара - Base pair - Wikipedia

Изображение аденин –тимин Базовая пара Уотсона – Крика

А базовая пара (бп) - фундаментальная единица двухцепочечной нуклеиновые кислоты состоящий из двух азотистые основания связаны друг с другом водородные связи. Они образуют строительные блоки ДНК двойной спирали и способствуют складчатой ​​структуре как ДНК, так и РНК. Продиктовано конкретными водородная связь паттерны, пары оснований "Ватсон – Крик" (гуанин –цитозин и аденин –тимин )[1] позволяют спирали ДНК поддерживать регулярную спиральную структуру, которая тонко зависит от ее нуклеотидная последовательность.[2] В дополнительный природа этой основанной парной структуры обеспечивает избыточную копию генетическая информация кодируется в каждой цепи ДНК. Регулярная структура и избыточность данных, обеспечиваемые двойной спиралью ДНК, делают ДНК хорошо подходящей для хранения генетической информации, а спаривание оснований между ДНК и поступающими нуклеотидами обеспечивает механизм, посредством которого ДНК-полимераза реплицирует ДНК и РНК-полимераза транскрибирует ДНК в РНК. Многие ДНК-связывающие белки могут распознавать специфические паттерны спаривания оснований, которые идентифицируют определенные регуляторные области генов.

Внутримолекулярные пары оснований могут встречаться в одноцепочечных нуклеиновых кислотах. Это особенно важно в молекулах РНК (например, переносить РНК ), где пары оснований Уотсона – Крика (гуанин – цитозин и аденин–урацил ) позволяют формировать короткие двухцепочечные спирали, а широкий спектр взаимодействий, не связанных с Ватсоном-Криком (например, G – U или A – A), позволяет РНК складываться в широкий спектр конкретных трехмерных структуры. Кроме того, спаривание оснований между переносить РНК (тРНК) и информационная РНК (мРНК) формирует основу для молекулярное распознавание события, которые приводят к тому, что нуклеотидная последовательность мРНК становится переведено в аминокислотную последовательность белки через генетический код.

Размер человека ген или весь организм геном часто измеряется в парах оснований, потому что ДНК обычно двухцепочечная. Следовательно, общее количество пар оснований равно количеству нуклеотидов в одной из цепей (за исключением некодирующих одноцепочечных областей теломеры ). В гаплоидный человеческий геном (23 хромосомы ), по оценкам, имеет длину около 3,2 миллиарда оснований и содержит 20 000–25 000 различных генов, кодирующих белок.[3][4][5] А килобаза (kb) - единица измерения в молекулярная биология равно 1000 пар оснований ДНК или РНК.[6] Общее количество ДНК пар оснований на Земле оценивается в 5,0×1037 с весом 50 миллиардов тонны.[7] Для сравнения, общая масса из биосфера оценивается в 4TtC (трлн тонн углерод ).[8]

Водородная связь и стабильность

Базовая пара GC.svg
Базовая пара AT.svg
Вверху, а G.C базовая пара с тремя водородные связи. Внизу, В пара оснований с двумя водородными связями. Нековалентные водородные связи между основаниями показаны пунктирными линиями. Волнистые линии обозначают соединение с пентозным сахаром и указывают в направлении малой бороздки.

Водородная связь представляет собой химическое взаимодействие, лежащее в основе описанных выше правил спаривания оснований. Соответствующее геометрическое соответствие доноров и акцепторов водородных связей позволяет стабильно образовываться только «правильным» парам. ДНК с высоким GC-контент более стабильна, чем ДНК с низким содержанием GC. Но, вопреки распространенному мнению, водородные связи существенно не стабилизируют ДНК; стабилизация в основном за счет складывающиеся взаимодействия.[9]

Больший азотистые основания, аденин и гуанин, являются членами класса двойных химических структур, называемых пурины; меньшие азотистые основания, цитозин и тимин (и урацил), являются членами класса однокольцевых химических структур, называемых пиримидины. Пурины комплементарны только пиримидинам: пары пиримидин-пиримидин энергетически невыгодны, потому что молекулы расположены слишком далеко друг от друга для установления водородной связи; Пурин-пуриновые пары энергетически невыгодны, потому что молекулы расположены слишком близко, что приводит к перекрыванию отталкивания. Спаривание пурин-пиримидиновых оснований AT или GC или UA (в РНК) приводит к правильной дуплексной структуре. Единственными другими парами пурин-пиримидин будут AC, GT и UG (в РНК); эти спаривания не соответствуют друг другу, потому что структуры доноров и акцепторов водорода не соответствуют. Спаривание GU с двумя водородными связями действительно довольно часто встречается в РНК (видеть базовая пара колебания ).

Парные молекулы ДНК и РНК сравнительно стабильны при комнатной температуре, но две нуклеотидные нити будут разделяться выше температура плавления это определяется длиной молекул, степенью неправильного спаривания (если таковая имеется) и содержанием GC. Более высокое содержание GC приводит к более высоким температурам плавления; поэтому неудивительно, что геномы экстремофил организмы, такие как Термус термофильный особенно богаты сборщиками мусора. Напротив, области генома, которые необходимо часто разделять, например, промоторные области для часто-записано гены - сравнительно бедны GC (например, см. Коробка ТАТА ). При проектировании также необходимо учитывать содержание ГХ и температуру плавления. грунтовки за ПЦР реакции.

Примеры

Следующие ниже последовательности ДНК иллюстрируют парные двухцепочечные структуры. По соглашению верхняя нить записывается из 5 'конец к 3 'конец; таким образом, нижняя нить написана от 3 'до 5'.

Последовательность ДНК с парными основаниями:
ATCGATTGAGCTCTAGCG
TAGCTAACTCGAGATCGC
Соответствующая последовательность РНК, в которой урацил заменяет тимин в цепи РНК:
AUCGAUUGAGCUCUAGCG
UAGCUAACUCGAGAUCGC

Базовые аналоги и интеркаляторы

Основная статья: Аналог нуклеиновой кислоты

Химические аналоги нуклеотидов могут заменять правильные нуклеотиды и устанавливать неканонические пары оснований, что приводит к ошибкам (в основном точечные мутации ) в Репликация ДНК и Транскрипция ДНК. Это связано с их изостерический химия. Одним из распространенных аналогов мутагенного основания является 5-бромурацил, который напоминает тимин, но может образовывать пары оснований с гуанином в энол форма.

Другие химические вещества, известные как Интеркаляторы ДНК, вставить в зазор между соседними основаниями на одной нити и вызвать мутации сдвига рамки считывания путем «маскировки» под основу, заставляя механизм репликации ДНК пропускать или вставлять дополнительные нуклеотиды в интеркалированный сайт. Большинство интеркаляторов большие полиароматический соединения и известны или подозреваются канцерогены. Примеры включают этидиум бромид и акридин.

Неестественная пара оснований (UBP)

Смотрите также: Искусственный синтез генов, Расширенный генетический код, Аналог нуклеиновой кислоты, и Синтетическая геномика

Неестественная пара оснований (UBP) - это спроектированная субъединица (или азотистое основание ) из ДНК который создается в лаборатории и не встречается в природе. Были описаны последовательности ДНК, которые используют вновь созданные азотистые основания для образования третьей пары оснований в дополнение к двум парам оснований, встречающимся в природе, A-T (аденин – тимин ) и G-C (гуанин – цитозин ). Несколько исследовательских групп искали третью пару оснований для ДНК, в том числе группы, возглавляемые Стивен А. Беннер, Филипп Марлиер, Флойд Ромесберг и Ичиро Хирао.[10] Сообщалось о некоторых новых парах оснований, основанных на альтернативных водородных связях, гидрофобных взаимодействиях и координации металлов.[11][12][13][14]

В 1989 году Стивен Беннер (тогда работал в Швейцарский федеральный технологический институт в Цюрихе) и его команда разработали модифицированные формы цитозина и гуанина в молекулах ДНК. in vitro.[15] Нуклеотиды, кодирующие РНК и белки, были успешно реплицированы. in vitro. С тех пор команда Беннера пытается спроектировать ячейки, которые могут создавать зарубежные базы с нуля, устраняя необходимость в сырье.[16]

В 2002 году группа Ичиро Хирао в Японии разработала неестественную пару оснований между 2-амино-8- (2-тиенил) пурином (ами) и пиридин-2-оном (y), которые участвуют в транскрипции и трансляции для сайт-специфичных включение нестандартных аминокислот в белки.[17] В 2006 году они создали 7- (2-тиенил) имидазо [4,5-b] пиридин (Ds) и пиррол-2-карбальдегид (Pa) в качестве третьей пары оснований для репликации и транскрипции.[18] Впоследствии Ds и 4- [3- (6-аминогексанамидо) -1-пропинил] -2-нитропиррол (Px) были обнаружены как высокоточная пара в ПЦР-амплификации.[19][20] В 2013 году они применили пару Ds-Px для создания ДНК-аптамеров с помощью in vitro селекция (SELEX) и продемонстрировала, что расширение генетического алфавита значительно увеличивает сродство ДНК-аптамеров к целевым белкам.[21]

В 2012 году группа американских ученых во главе с Флойдом Ромесбергом, химическим биологом из Научно-исследовательский институт Скриппса в Сан-Диего, Калифорния, опубликовал, что его команда разработала неестественную пару оснований (UBP).[13] Два новых искусственных нуклеотида или Неестественная базовая пара (УБП) были названы d5SICS и dNaM. Технически эти искусственные нуклеотиды несущий гидрофобный азотистые основания, имеют две слитные ароматические кольца которые образуют комплекс (d5SICS – dNaM) или пару оснований в ДНК.[16][22] Его команда разработала множество in vitro или шаблоны «пробирки», содержащие неестественную пару оснований, и они подтвердили, что они эффективно воспроизводились с высокой точностью практически во всех контекстах последовательностей с использованием современного стандарта in vitro техники, а именно ПЦР-амплификация ДНК и приложения на основе ПЦР.[13] Их результаты показывают, что для приложений на основе ПЦР и ПЦР пара неестественных оснований d5SICS – dNaM функционально эквивалентна естественной паре оснований, и в сочетании с двумя другими естественными парами оснований, используемыми всеми организмами, A – T и G – C , они представляют собой полностью функциональный и расширенный шестибуквенный «генетический алфавит».[22]

В 2014 году та же команда из Исследовательского института Скриппса сообщила, что они синтезировали отрезок кольцевой ДНК, известный как плазмида содержащий естественные пары оснований T-A и C-G, а также наиболее эффективный UBP, созданный лабораторией Ромесберга и вставленный в клетки общей бактерии Кишечная палочка которые успешно воспроизвели неестественные пары оснований в нескольких поколениях.[10] В трансфекция не препятствовал росту Кишечная палочка клеток и не продемонстрировали никаких признаков потери неестественных пар оснований до естественных Ремонт ДНК механизмы. Это первый известный пример передачи живым организмом расширенного генетического кода последующим поколениям.[22][23] Ромесберг сказал, что он и его коллеги создали 300 вариантов для уточнения конструкции нуклеотидов, которые будут достаточно стабильными и будут воспроизводиться так же легко, как и естественные, при делении клеток. Частично это было достигнуто за счет добавления вспомогательного ген водорослей что выражает нуклеотидтрифосфат транспортер, который эффективно импортирует трифосфаты как d5SICSTP, так и dNaMTP в Кишечная палочка бактерии.[22] Затем естественные пути репликации бактерий используют их для точной репликации плазмида содержащий d5SICS – dNaM. Другие исследователи были удивлены тем, что бактерии воспроизвели эти субъединицы ДНК, созданные человеком.[24]

Успешное включение третьей пары оснований является значительным прорывом на пути к цели значительного увеличения числа аминокислоты которые могут быть кодированы ДНК, от существующих 20 аминокислот до теоретически возможных 172, тем самым расширяя потенциал живых организмов для производства новых белки.[10] Искусственные нити ДНК еще ничего не кодируют, но ученые предполагают, что они могут быть созданы для производства новых белков, которые могут иметь промышленное или фармацевтическое применение.[25] Эксперты говорят, что синтетическая ДНК, включающая в себя неестественную пару оснований, увеличивает возможность существования форм жизни, основанных на другом коде ДНК.[24][25]

Измерения длины

Следующие сокращения обычно используются для описания длины D / R.Молекула NA:

  • bp = пара оснований - один bp соответствует приблизительно 3,4 Å (340 вечера )[26] длины вдоль пряди и примерно до 618 или 643 дальтон для ДНК и РНК соответственно.
  • kb (= kbp) = килограмм пар оснований = 1000 bp
  • Mb (= Mbp) = мега пар оснований = 1000000 пар оснований
  • Gb = гига пар оснований = 1000000000 пар оснований.

Для одноцепочечной ДНК / РНК, единицы нуклеотиды используются - сокращенно nt (или knt, Mnt, Gnt) - так как они не являются парными. Чтобы различать единицы компьютерное хранилище и базы, kbp, Mbp, Gbp и т.д. могут использоваться для пар оснований.

В сантиморган также часто используется для обозначения расстояния вдоль хромосомы, но количество пар оснований, которым он соответствует, широко варьируется. В геноме человека сентиморган составляет около 1 миллиона пар оснований.[27][28]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Спенсер, М. (10 января 1959 г.). «Стереохимия дезоксирибонуклеиновой кислоты. II. Водородно-связанные пары оснований». Acta Crystallographica. 12 (1): 66–71. Дои:10.1107 / S0365110X59000160. ISSN  0365-110X.
  2. ^ Журкин В.Б., Толсторуков М.Ю., Сюй Ф., Коласанти А.В., Олсон В.К. (2005). «Последовательно-зависимая изменчивость B-ДНК». Конформация ДНК и транскрипция. С. 18–34. Дои:10.1007/0-387-29148-2_2. ISBN  978-0-387-25579-8. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  3. ^ Моран Л.А. (24 марта 2011 г.). «Общий размер генома человека, скорее всего, составит ~ 3200 МБ». Sandwalk.blogspot.com. Получено 2012-07-16.
  4. ^ «Конечная длина генома человека составляет 2,86 Гб». Strategicgenomics.com. 2006-06-12. Получено 2012-07-16.
  5. ^ Международный консорциум по секвенированию генома человека (октябрь 2004 г.). «Завершение эухроматической последовательности генома человека». Природа. 431 (7011): 931–45. Bibcode:2004Натура.431..931H. Дои:10.1038 / природа03001. PMID  15496913.
  6. ^ Кокберн А.Ф., Ньюкирк М.Дж., Фиртель Р.А. (декабрь 1976 г.). «Организация генов рибосомной РНК Dictyostelium discoideum: картирование нетранскрибируемых спейсерных областей». Клетка. 9 (4, п. 1): 605–13. Дои:10.1016 / 0092-8674 (76) 90043-Х. PMID  1034500. S2CID  31624366.
  7. ^ Nuwer R (18 июля 2015 г.). «Подсчет всей ДНК на Земле». Нью-Йорк Таймс. Нью-Йорк: Компания New York Times. ISSN  0362-4331. Получено 2015-07-18.
  8. ^ «Биосфера: разнообразие жизни». Институт глобальных изменений Аспена. Базальт, CO. Получено 2015-07-19.
  9. ^ Яковчук П., Протозанова Е., Франк-Каменецкий М.Д. (30.01.2006). «Вклады укладки оснований и спаривания оснований в термическую стабильность двойной спирали ДНК». Исследования нуклеиновых кислот. 34 (2): 564–74. Дои:10.1093 / нар / gkj454. ЧВК  1360284. PMID  16449200.
  10. ^ а б c Fikes BJ (8 мая 2014 г.). «Жизнь, созданная с помощью расширенного генетического кода». Сан-Диего Union Tribune. Архивировано из оригинал 9 мая 2014 г.. Получено 8 мая 2014.
  11. ^ Ян З., Ф. Чен, Альварадо Дж. Б., Беннер С.А. (сентябрь 2011 г.). «Амплификация, мутация и секвенирование шестибуквенной синтетической генетической системы». Журнал Американского химического общества. 133 (38): 15105–12. Дои:10.1021 / ja204910n. ЧВК  3427765. PMID  21842904.
  12. ^ Ямашиге Р., Кимото М., Такэдзава И., Сато А., Мицуи Т., Ёкояма С., Хирао И. (март 2012 г.). «Высокоспецифичные системы неестественных пар оснований в качестве третьей пары оснований для ПЦР-амплификации». Исследования нуклеиновых кислот. 40 (6): 2793–806. Дои:10.1093 / nar / gkr1068. ЧВК  3315302. PMID  22121213.
  13. ^ а б c Малышев Д.А., Дхами К., Quach HT, Lavergne T, Ordoukhanian P, Torkamani A, Romesberg FE (июль 2012 г.). «Эффективная и независимая от последовательности репликация ДНК, содержащей третью пару оснований, устанавливает функциональный шестибуквенный генетический алфавит». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 109 (30): 12005–10. Bibcode:2012ПНАС..10912005М. Дои:10.1073 / pnas.1205176109. ЧВК  3409741. PMID  22773812.
  14. ^ Такедзава, Юсуке; Мюллер, Йенс; Шионоя, Мицухико (05.05.2017). «Искусственное спаривание оснований ДНК, опосредованное различными ионами металлов». Письма по химии. 46 (5): 622–633. Дои:10.1246 / кл.160985. ISSN  0366-7022.
  15. ^ Свитцер С., Морони С.Е., Беннер С.А. (1989). «Ферментативное включение новой пары оснований в ДНК и РНК». Варенье. Chem. Soc. 111 (21): 8322–8323. Дои:10.1021 / ja00203a067.
  16. ^ а б Callaway E (7 мая 2014 г.). «Ученые создали первый живой организм с« искусственной »ДНК». Новости природы. Huffington Post. Получено 8 мая 2014.
  17. ^ Хирао И., Охцуки Т., Фудзивара Т., Мицуи Т., Йокогава Т., Окуни Т., Накаяма Х., Такио К., Ябуки Т., Кигава Т., Кодама К., Йокогава Т., Нисикава К., Йокояма С. (февраль 2002 г.). «Неестественная пара оснований для включения аналогов аминокислот в белки». Природа Биотехнологии. 20 (2): 177–82. Дои:10.1038 / nbt0202-177. PMID  11821864. S2CID  22055476.
  18. ^ Хирао И., Кимото М., Мицуи Т., Фудзивара Т., Кавай Р., Сато А., Харада Ю., Йокояма С. (сентябрь 2006 г.). «Неестественная гидрофобная система пар оснований: сайт-специфическое включение аналогов нуклеотидов в ДНК и РНК». Природные методы. 3 (9): 729–35. Дои:10.1038 / nmeth915. PMID  16929319. S2CID  6494156.
  19. ^ Kimoto, M. et al. (2009) Неестественная система пар оснований для эффективной ПЦР-амплификации и функционализации молекул ДНК. Нуклеиновые кислоты Res. 37, е14
  20. ^ Ямашиге Р., Кимото М., Такэдзава И., Сато А., Мицуи Т., Ёкояма С., Хирао И. (март 2012 г.). «Высокоспецифичные системы неестественных пар оснований в качестве третьей пары оснований для ПЦР-амплификации». Исследования нуклеиновых кислот. 40 (6): 2793–806. Дои:10.1093 / nar / gkr1068. ЧВК  3315302. PMID  22121213.
  21. ^ Кимото М., Ямашиге Р., Мацунага К., Йокояма С., Хирао И. (май 2013 г.). «Генерация высокоаффинных ДНК-аптамеров с использованием расширенного генетического алфавита». Природа Биотехнологии. 31 (5): 453–7. Дои:10.1038 / nbt.2556. PMID  23563318. S2CID  23329867.
  22. ^ а б c d Малышев Д.А., Дхами К., Лавергн Т., Чен Т., Дай Н., Фостер Дж. М., Корреа И. Р., Ромесберг Ф. Э. (май 2014 г.). «Полусинтетический организм с расширенным генетическим алфавитом». Природа. 509 (7500): 385–8. Bibcode:2014Натура.509..385M. Дои:10.1038 / природа13314. ЧВК  4058825. PMID  24805238.
  23. ^ Образец I (7 мая 2014 г.). «Первые формы жизни, передающие искусственную ДНК, созданную учеными США». Хранитель. Получено 8 мая 2014.
  24. ^ а б «Ученые создали первый живой организм, содержащий искусственную ДНК». Журнал "Уолл Стрит. Fox News. 8 мая 2014 г.. Получено 8 мая 2014.
  25. ^ а б Поллак А (7 мая 2014 г.). «Ученые добавляют буквы к алфавиту ДНК, вселяя надежду и страх». Нью-Йорк Таймс. Получено 8 мая 2014.
  26. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Морган Д., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (декабрь 2014 г.). Молекулярная биология клетки (6-е изд.). Нью-Йорк / Абингдон: Garland Science, Taylor & Francis Group. п. 177. ISBN  978-0-8153-4432-2.
  27. ^ «NIH ORDR - Глоссарий - C». Rarediseases.info.nih.gov. Получено 2012-07-16.
  28. ^ Скотт М.П., ​​Мацудаира П., Лодиш Х., Дарнелл Дж., Зипурски Л., Кайзер Калифорния, Берк А., Кригер М. (2004). Молекулярная клеточная биология (Пятое изд.). Сан-Франциско: В. Х. Фриман. п.396. ISBN  978-0-7167-4366-8. ... у человека в среднем 1 сантиморган представляет собой расстояние примерно 7,5х105 пар оснований.

дальнейшее чтение

  • Уотсон Дж. Д., Бейкер Т. А., Белл С. П., Ганн А., Левин М., Лосик Р. (2004). Молекулярная биология гена (5-е изд.). Пирсон Бенджамин Каммингс: CSHL Press. (См. Особенно главы 6 и 9)
  • Sigel A, Sigel H, Sigel RK, ред. (2012). Взаимодействие между ионами металлов и нуклеиновыми кислотами. Ионы металлов в науках о жизни. 10. Springer. Дои:10.1007/978-94-007-2172-2. ISBN  978-9-4007-2171-5. S2CID  92951134.
  • Умный Г.Х., Шионоя М. (2012). «Глава 10. Альтернативное спаривание оснований ДНК через координацию металлов». Взаимодействие между ионами металлов и нуклеиновыми кислотами. Ионы металлов в науках о жизни. 10. С. 269–294. Дои:10.1007/978-94-007-2172-2_10. ISBN  978-94-007-2171-5. PMID  22210343.
  • Меггер Д.А., Меггер Н., Мюллер Дж. (2012). «Глава 11. Металл-опосредованные пары оснований в нуклеиновых кислотах с пурином и пиримидин-производными нуклеозидами». Взаимодействие между ионами металлов и нуклеиновыми кислотами. Ионы металлов в науках о жизни. 10. С. 295–317. Дои:10.1007/978-94-007-2172-2_11. ISBN  978-94-007-2171-5. PMID  22210344.

внешняя ссылка

  • ДАН - версия веб-сервера EMBOSS инструмент для расчета температур плавления