Устаревшие модели структуры ДНК - Obsolete models of DNA structure - Wikipedia

Три наиболее распространенных дуплексных структуры ДНК: А-ДНК (обезвоженная структура), B-ДНК (наиболее распространенная структура), Z-ДНК (разгрузочная структура при транскрипции).

Помимо множества проверенных Структуры ДНК, существует ряд устаревших моделей, которые либо были опровергнуты, либо лишены доказательств.

Некоторые из этих структур были предложены в 1950-х годах, прежде чем структура двойная спираль была решена, наиболее известный из которых - Линус Полинг. Неспиральные или "бок о бок" модели ДНК были предложены в 1970-х годах для решения того, что в то время казалось проблемами топологии кольцевые хромосомы ДНК во время репликации (впоследствии разрешается путем открытия ферментов, которые изменяют топологию ДНК).[1] Они также были отклонены из-за накопления экспериментальных данных от Рентгеновская кристаллография, раствор ЯМР, и атомно-силовая микроскопия (как одной ДНК, так и связанной с ДНК-связывающие белки ). Хотя локализованные или переходные недуплексные спиральные структуры существуют,[2] неспиральные модели в настоящее время не принимаются основным научным сообществом.[3] Наконец, существует устойчивый набор современных маргинальных теорий, предлагающих ряд неподдерживаемых моделей.

Ранняя спекулятивная структура тройной спирали (1953 г.)

До структуры Уотсона – Крика

Дальнейшая информация: История молекулярной биологии и Двойная спираль нуклеиновой кислоты

Двойная спираль ДНК была открыта в 1953 году.[4] (с дальнейшими подробностями в 1954 г.[5]) на основе дифракция рентгеновских лучей изображения ДНК, а также спаривание оснований химическая и биохимическая информация.[6][7] До этого рентгеновские данные, собранные в 1950-х годах, указывали, что ДНК образует некую спираль, но еще не было обнаружено, какова точная структура этой спирали. Поэтому было несколько предложенных структур, которые позже были опровергнуты данными, подтверждающими дуплекс ДНК. Самая известная из этих ранних моделей была произведена Линус Полинг и Роберит Кори в 1953 г., в котором они предложили тройную спираль с фосфатным остовом внутри и нуклеотидными основаниями, направленными наружу.[8][9] В целом похожая, но подробная структура была также предложена Брюсом Фрейзером в том же году.[10] Однако вскоре Уотсон и Крик выявили несколько проблем с этими моделями:

  • Отрицательно заряженные фосфаты около оси отталкиваются друг от друга, поэтому остается вопрос, как трехцепочечная структура остается вместе.
  • В модели тройной спирали (в частности, модели Полинга и Кори) некоторые из расстояния Ван-дер-Ваальса кажутся слишком маленькими.

Открыта первоначальная модель двойной спирали, которая теперь называется B-форма ДНК на сегодняшний день является наиболее распространенной структурой клеток.[11] В 1970-х годах были идентифицированы две дополнительные более редкие спиральные конформации, которые также встречаются в природе: А-форма ДНК, и Z-форма ДНК.[12]

Предложения по неспиральной конструкции

До открытия топоизомераз

Предложение линейной тетраплексной модели (1969)[13]

Даже после того, как была решена дуплексная структура ДНК, изначально оставался открытым вопрос, нужны ли дополнительные структуры ДНК для объяснения ее общей топологии. изначально были вопросы о том, как это может повлиять на репликацию ДНК. В 1963 г. авторадиографы из Кишечная палочка хромосома продемонстрировал, что это был одиночная круговая молекула который воспроизводится на паре вилки репликации при котором синтезируются обе новые цепи ДНК.[14] Таким образом, две дочерние хромосомы после репликации будут топологически связаны. Разделение двух связанных цепей дочерней ДНК во время репликации либо требовало, чтобы ДНК имела нулевое спиральное закручивание, либо цепи были разрезаны, скрещены и воссоединены. Именно эти очевидные противоречия пытались разрешить ранние неспиральные модели до открытия топоизомеразы в 1970 г. решил проблему.[15][16]

В 1960-х и 1970-х годах были выдвинуты гипотезы о нескольких структурах, которые будут давать нулевой спиральный скручивание по длине ДНК, либо будучи полностью прямым по всей длине, либо за счет чередования правых и левых спиральных скручиваний.[17][18] Например, в 1969 году была выдвинута гипотеза о линейной структуре тетрамера,[13] а в 1976 году структура с чередующимися секциями правой и левой спирали была независимо предложена двумя разными группами.[19][20] Первоначально была представлена ​​модель чередующихся скручиваний с изменением спиральности каждые пол-оборота, но позже были предложены длинные участки каждого спирального направления.[21] Однако эти модели страдали от недостатка экспериментальной поддержки.[22] При скручивающем напряжении Z-ДНК структура может формироваться с изгибом, противоположным B-форме ДНК, но это редко в клеточной среде.[23] Открытие топоизомеразы и извилины, ферменты, которые могут изменять число связей кольцевых нуклеиновых кислот и, таким образом, «раскручивать» и «перематывать» реплицирующуюся бактериальную хромосому, решили топологические возражения против спиральной структуры ДНК B-формы.[24] Действительно, в отсутствие этих ферментов, изменяющих топологию, небольшая кольцевая вирусная и плазмидная ДНК находятся неразрывная несущая конструкция, пряди которой топологически связаны вместе.[25]

Поэтому предложения о неспиральной ДНК выпали из основного направления науки.[3][15]

Предложение структуры параллельной модели (1976)[17]

Подтверждение винтовой структуры

Первоначально возникали вопросы о том, являются ли решенные структуры ДНК артефактами использованных методов рентгеновской кристаллографии. Однако впоследствии структура ДНК была подтверждена в растворе гель-электрофоретическими методами.[26] а позже через раствор ЯМР[27] и AFM[28] что указывает на то, что процесс кристаллографии не исказил его. Структура ДНК в комплексе с нуклеосомы, геликасы, и многие другие ДНК-связывающие белки также подтвердил его биологическую значимость in vivo.[29]

Настойчивость как второстепенные теории

Несмотря на доказательства, подтверждающие модели дуплекса ДНК, в 1980-х годах были предложены альтернативные модели.[30] и в 2000-е гг.[31][32] Из-за отсутствия доказательств и противоречия других экспериментов, они были отвергнуты научным сообществом как недостаточные доказательства и попытки решить решенную проблему.[3] В 2009 году Ю Чэн Сюй отметил, что короткое время повторного отжига (например, 20-30 минут) привело к аномальным структурам, которые не мигрировали вместе с обычно приготовленными топоизомерами ДНК, в то время как увеличенное время повторного отжига (в его случае 72 часа при 4º) приводили к структурам, которые действительно мигрировали вместе с топоизомерами, что свидетельствует о нормальном спаривании оснований. Они интерпретировали свои данные как подтверждающие возможность того, что две нити внутри двойной спирали нативной ДНК закручены не плектонемно, а двояко, с левосторонними и правосторонними областями, сосуществующими в топоизомере с нулевым числом связей [34]. Открытие того, что две кольцевые нити суперспиральной или релаксированной плазмиды могут быть осторожно диссоциированы в водном растворе с низким содержанием соли или чистой воде, является дополнительным доказательством, подтверждающим модель двойной спирали. В апреле 2019 года доктор Паван Кумар из Всеиндийского института медицинских наук , Нью-Дели опубликовал исследование, в котором говорится, что две цепи плазмиды pUC19 можно разделить на отдельные кольцевые цепи ДНК с добавлением гидроксида натрия. [35] Разделенные цепи плазмидной ДНК повторно отжигались с образованием двухцепочечной плазмиды в подходящих условиях. Более того, было обнаружено, что плазмидная ДНК, образованная в результате повторного отжига отдельных цепей, по своим свойствам сходна с нативной плазмидой. Эти результаты показали, что две цепи плазмидной ДНК могут быть обратимо разделены на отдельные цепи, и противоречат модели структуры ДНК Уотсона и Крика. Отчет Кумара подвергся серьезной критике, в том числе со стороны Ю Чен Сюй из Юго-Западного медицинского центра в Далласе, который написал, что Кумар «полностью неправ» и что представленные доказательства «не могут подтвердить его вывод». [36] Сюй опубликовал статью в журнал «Симметрия» в ноябре 2019 г., в котором оспаривается модель двойной спирали [37]. Он также предоставил исследовательское предложение для проверки гипотезы о двойной спирали, которая может доказать, что нулевое число связывания может быть найдено в любой плазмиде.

Рекомендации

  1. ^ Стокс, Т. Д. (1982). «Двойная спираль и покоробленная молния - образцовая сказка». Общественные науки. 12 (2): 207–240. Дои:10.1177/030631282012002002. PMID  11620855.
  2. ^ Синден, Ричард Р. (1994). «Разные альтернативные конформации ДНК». Структура и функции ДНК. Эльзевир. С. 259–286. Дои:10.1016 / b978-0-08-057173-7.50012-2. ISBN  9780080571737.
  3. ^ а б c Гаутам, Н. (2004). «Ответ» на разнообразие вторичной структуры ДНК"" (PDF). Текущая наука. 86 (10): 1352–1353. Однако открытие топоизомераз сняло «жало» в топологическом возражении против плектонемической двойной спирали. Более недавнее решение монокристаллической рентгеновской структуры ядерной частицы нуклеосомы показало около 150 пар оснований ДНК (то есть около 15 полных витков) со структурой, которая во всех существенных отношениях аналогична структуре Модель Уотсона – Крика. Это нанесло смертельный удар идее о том, что другие формы ДНК, особенно двойная спиральная ДНК, существуют как нечто иное, чем локальные или временные структуры.
  4. ^ Уотсон, Дж. Д.; Крик, Ф. (1953). «Структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы» (PDF). Природа. 171 (4356): 737–8. Bibcode:1953 г., природа. 171..737 Вт. Дои:10.1038 / 171737a0. PMID  13054692.
  5. ^ Крик, Ф. & Уотсон, Дж. Д. (1954). «Дополнительная структура дезоксирибонуклеиновой кислоты» (PDF). Труды Лондонского королевского общества. 223A: 80–96.
  6. ^ Magasanik B, Vischer E, Doniger R, Elson D, Chargaff E (1950). «Разделение и оценка рибонуклеотидов в малых количествах». J. Biol. Chem. 186 (1): 37–50. PMID  14778802.
  7. ^ Чаргафф Э. (1950). «Химическая специфичность нуклеиновых кислот и механизм их ферментативной деградации». Experientia. 6 (6): 201–209. Дои:10.1007 / BF02173653. PMID  15421335.
  8. ^ Полинг Л., Кори Р. Б. (февраль 1953 г.). «Предлагаемая структура нуклеиновых кислот». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 39 (2): 84–97. Дои:10.1073 / pnas.39.2.84. ЧВК  1063734. PMID  16578429.
  9. ^ Полинг Л., Кори Р. Б. (февраль 1953 г.). «Структура нуклеиновых кислот». Природа. 171 (4347): 346. Дои:10.1038 / 171346a0. PMID  13036888.
  10. ^ Фрейзер Б. (1953). «Структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы». Журнал структурной биологии. 145 (3): 184–5. Дои:10.1016 / j.jsb.2004.01.001. PMID  14997898.
  11. ^ Ричмонд TJ, Дэйви Калифорния (2003). «Структура ДНК в ядре нуклеосомы». Природа. 423 (6936): 145–50. Bibcode:2003Натура.423..145р. Дои:10.1038 / природа01595. PMID  12736678.
  12. ^ Синден, Ричард Р. (1994). Структура и функция ДНК. Сан Диего: Академическая пресса. ISBN  0126457506. OCLC  30109829.
  13. ^ а б У Тай Дэ (1969). «Вторичные структуры ДНК». Труды Национальной академии наук. 63 (2): 400–405. Дои:10.1073 / пнас.63.2.400. ISSN  0027-8424. ЧВК  223578. PMID  5257129.
  14. ^ Кэрнс, Дж. (1963). «Бактериальная хромосома и способ ее репликации с помощью авторадиографии». J. Mol. Биол. 6 (3): 208–13. Дои:10.1016 / с0022-2836 (63) 80070-4. PMID  14017761.
  15. ^ а б Biegeleisen K (2002). «Топологически несвязанная кольцевая дуплексная ДНК». Бык. Математика. Биол. 64 (3): 589–609. CiteSeerX  10.1.1.573.5418. Дои:10.1006 / bulm.2002.0288. PMID  12094410.
  16. ^ Ван, Дж. К. (2002). «Клеточные роли топоизомераз ДНК: молекулярная перспектива». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология. 3 (6): 430–440. Дои:10.1038 / nrm831. ISSN  1471-0072. PMID  12042765.
  17. ^ а б Родли Г.А., Скоби Р.С., Бейтс Р.Х., Левитт Р.М. (1976). «Возможная конформация для двухцепочечных полинуклеотидов». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 73 (9): 2959–63. Bibcode:1976PNAS ... 73.2959R. Дои:10.1073 / пнас.73.9.2959. ЧВК  430891. PMID  1067594.
  18. ^ Сасисехаран, В.; Паттабираман, Н. (1976). «Двойные стандартные полинуклеотиды: две типичные альтернативные конформации нуклеиновых кислот» (PDF). Curr. Sci. 45: 779–783.
  19. ^ Сасисехаран, В.; Паттабираман, Н. (1976). «Двухцепочечные полинуклеотиды: две типичные альтернативные конформации нуклеиновых кислот». Текущая наука. 45: 779–783.
  20. ^ Сасисехаран, В.; Pattabiraman, N .; Гупта, Г. (1978). «Некоторые последствия альтернативной структуры ДНК». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 75 (9): 4092–6. Bibcode:1978PNAS ... 75.4092S. Дои:10.1073 / пнас.75.9.4092. ЧВК  336057. PMID  279899.
  21. ^ Родли, Г. А. (1995). «Пересмотр некоторых результатов для линейной и кольцевой ДНК». Журнал биологических наук. 20 (2): 245–257. Дои:10.1007 / BF02703272.
  22. ^ Крик, Ф.; Ван, Дж. К.; Бауэр, В. Р. (1979). "Действительно ли ДНК представляет собой двойную спираль?" (PDF). J. Mol. Биол. 129 (3): 449–457. Дои:10.1016/0022-2836(79)90506-0. PMID  458852.
  23. ^ Рич, Александр; Чжан, Шугуан (2003). «Z-ДНК: долгий путь к биологической функции». Природа Обзоры Генетика. 4 (7): 566–572. Дои:10.1038 / nrg1115. ISSN  1471-0064. PMID  12838348.
  24. ^ Кестхейи, Андреа; Минчелл, Никола; Бакстер, Джонатан (2016). «Причины и последствия топологического стресса при репликации ДНК». Гены. 7 (12): 134. Дои:10.3390 / гены7120134. ISSN  2073-4425. ЧВК  5192510. PMID  28009828.
  25. ^ Виноград Дж, Лебовиц Дж, Радлофф Р., Ватсон Р., Лайпис П. (1965). «Скрученная кольцевая форма ДНК вируса полиомы». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 53 (5): 1104–11. Bibcode:1965ПНАС ... 53.1104В. Дои:10.1073 / pnas.53.5.1104. ЧВК  301380. PMID  4287964.
  26. ^ Ван, Дж. К. (1979). «Спиральный повтор ДНК в растворе». Труды Национальной академии наук. 76 (1): 200–203. Дои:10.1073 / pnas.76.1.200. ISSN  0027-8424. ЧВК  382905. PMID  284332.
  27. ^ Гош, Анирбан; Кар, Раджив Кумар; Джана, Джаганнатха; Саха, Абхиджит; Яна, Батакришна; Кришнамурти, Джанартанан; Кумар, Динеш; Гош, Сураджит; Чаттерджи, Субхрангсу (2014). «Индолицидин нацелен на дуплексную ДНК: структурное и механическое понимание с помощью комбинации спектроскопии и микроскопии». ChemMedChem. 9 (9): 2052–2058. Дои:10.1002 / cmdc.201402215. HDL:2027.42/108345. ISSN  1860-7179. PMID  25044630.
  28. ^ Пайн, Алиса; Томпсон, Рут; Люнг, Карл; Рой, Дебдулал; Хугенбум, Барт В. (2014). «Реконструкция одной молекулы вторичной структуры олигонуклеотидов с помощью атомно-силовой микроскопии» (PDF). Маленький. 10 (16): 3257–3261. Дои:10.1002 / smll.201400265. ISSN  1613-6829. PMID  24740866.
  29. ^ Моргунова, Е .; Тайпале, Дж. (2017). «Структурная перспектива связывания кооперативного транскрипционного фактора». Текущее мнение в структурной биологии. Взаимодействия белок-нуклеиновая кислота • Катализ и регуляция. 47: 1–8. Дои:10.1016 / j.sbi.2017.03.006. ISSN  0959-440X. PMID  28349863.
  30. ^ Ягиль, Г .; Сассман, Дж. Л. (1986). «Структурные модели неспиральной ДНК». Журнал EMBO. 5 (7): 1719–1725. Дои:10.1002 / j.1460-2075.1986.tb04416.x. ISSN  0261-4189. ЧВК  1166999. PMID  3017709.
  31. ^ Ву Р., Ву Т. (1996). «Новая неповрежденная круговая суперспираль дцДНК». Бык. Математика. Биол. 58 (6): 1171–85. Дои:10.1007 / BF02458388. PMID  8953261.
  32. ^ Бигелейзен, К. (2006). «Вероятная структура комплекса протамин – ДНК». Журнал теоретической биологии. 241 (3): 533–540. Дои:10.1016 / j.jtbi.2005.12.015. ISSN  0022-5193. PMID  16442565.