Z -DNA - Z-DNA

Struktura Z-DNA. Proteopedia Z-DNA

Z-DNA je jednou z mnoha možných dvojitých šroubovicových struktur DNA . Jedná se o levotočivou dvojitou šroubovicovou strukturu, ve které se šroubovice vine klikatým vzorem doleva, nikoli doprava, jako běžnější forma B-DNA . Z-DNA je považována za jednu ze tří biologicky aktivních dvoušroubovicových struktur spolu s A-DNA a B-DNA .

Dějiny

Levák DNA byla poprvé objeven Robert Wells a spol, v průběhu studia z opakujícího polymeru z inosinu - cytosin . Pro takové DNA pozorovali „reverzní“ kruhové dichroistické spektrum a interpretovali to (správně) tak, že to znamenalo, že se vlákna navzájem omotaly levou rukou. Vztah mezi Z-DNA a známější B-DNA naznačila práce Pohla a Jovina, kteří ukázali, že ultrafialový cirkulární dichroismus poly (dG-dC) byl téměř převrácen ve 4 M roztoku chloridu sodného. Podezření, že se jedná o výsledek přeměny z B-DNA na Z-DNA, bylo potvrzeno zkoumáním Ramanových spekter těchto roztoků a krystalů Z-DNA. Následně byla publikována krystalová struktura "Z-DNA", která se ukázala být první monokrystalovou rentgenovou strukturou fragmentu DNA (samokomplementární DNA hexamer d (CG) ₃ ). Byl vyřešen jako levotočivá dvojitá šroubovice se dvěma antiparalelními řetězci, které byly drženy pohromadě páry Watson-Crickových základen (viz rentgenová krystalografie ). Vyřešili to Andrew HJ Wang , Alexander Rich a spolupracovníci v roce 1979 na MIT . Krystalizace spojení B- na Z-DNA v roce 2005 poskytla lepší porozumění potenciální roli, kterou hraje Z-DNA v buňkách. Kdykoli se vytvoří segment Z-DNA, musí na jeho dvou koncích existovat B-Z přechody, které jej propojí s B-formou DNA nalezenou ve zbytku genomu .

V roce 2007 byla RNA verze Z-DNA, Z-RNA , popsána jako transformovaná verze dvojité šroubovice A-RNA na levotočivou šroubovici. Přechod z A-RNA na Z-RNA však byl popsán již v roce 1984.

Struktura

Spojení B – Z vázané na vazebnou doménu Z-DNA. Všimněte si dvou zvýrazněných extrudovaných základen. Z PDB : 2ACJ .

Z-DNA se zcela liší od forem pro praváky. Ve skutečnosti je Z-DNA často porovnávána s B-DNA, aby se ilustrovaly hlavní rozdíly. Helix Z-DNA je levák a má strukturu, která opakuje každý druhý pár bází. Hlavní a vedlejší drážky, na rozdíl od A- a B-DNA, vykazují malý rozdíl v šířce. Tvorba této struktury je obecně nepříznivá, i když ji mohou podporovat určité podmínky; jako je alternující purinů - pyrimidinové sekvence (zejména poly (DGC) ₂ ), negativní DNA nadšroubovicové vinutí nebo vysokou koncentrací soli a některých kationtů (všechny při fyziologické teplotě, 37 ° C a pH 7,3-7,4). Z-DNA může tvořit spojení s B-DNA (nazývané „spojovací pole B-to-Z“) ve struktuře, která zahrnuje vytlačování páru bází. Konformaci Z-DNA bylo obtížné studovat, protože neexistuje jako stabilní rys dvojité šroubovice. Místo toho je to přechodná struktura, která je příležitostně vyvolána biologickou aktivitou a poté rychle zmizí.

Předpovídání struktury Z-DNA

Je možné předpovědět pravděpodobnost, že sekvence DNA vytvoří strukturu Z-DNA. Algoritmus pro předpovídání sklonu DNA k převrácení z B-formy do Z-formy, ZHunt , napsal P. Shing Ho v roce 1984 na MIT . Tento algoritmus později vyvinuli Tracy Camp , P. Christoph Champ , Sandor Maurice a Jeffrey M. Vargason pro mapování Z-DNA v celém genomu (s hlavním vyšetřovatelem Ho).

Cesta vzniku Z-DNA z B-DNA

Od objevu a krystalizace Z-DNA v roce 1979 si tato konfigurace nechala vědce lámat hlavu nad cestou a mechanismem od konfigurace B-DNA po konfiguraci Z-DNA. Konformační změna z B-DNA na strukturu Z-DNA nebyla na atomové úrovni známá, ale v roce 2010 počítačové simulace prováděné Lee et al. byli schopni výpočetně určit, že postupné šíření přechodu B-do-Z by poskytlo nižší energetickou bariéru než dříve předpokládaný koordinovaný mechanismus. Vzhledem k tomu, že to bylo výpočetně prokázáno, cesta by stále musela být experimentálně testována v laboratoři pro další potvrzení a platnost, ve které Lee a kol. konkrétně ve svém článku v časopise uvádí: „Aktuální [výpočetní] výsledek by mohl být v budoucnosti testován experimenty s jednou molekulou FRET (smFRET).“ V roce 2018 byla cesta od B-DNA k Z-DNA experimentálně prokázána pomocí testů smFRET. To bylo provedeno měřením hodnot intenzity mezi donorovými a akceptorovými fluorescenčními barvami, také známými jako Fluorophores , ve vzájemném vztahu, když si vyměňují elektrony, zatímco jsou značeny na molekule DNA. Vzdálenosti mezi fluorofory lze použít ke kvantitativnímu výpočtu změn v blízkosti barviv a konformačních změn v DNA. Vysokoafinitní vazebný protein Z-DNA , hZaADAR1, byl použit v různých koncentracích k indukci transformace z B-DNA na Z-DNA. Testy smFRET odhalily stav přechodu B*, který se vytvořil jako vazba hZαADAR1 nahromaděná na struktuře B-DNA a stabilizovala ji. Tento krok nastává, aby se zabránilo vysoké energii spojení, ve které je struktuře B-DNA umožněno podstoupit konformační změnu struktury Z-DNA bez zásadní, rušivé změny energie. Tento výsledek se shoduje s výpočetními výsledky Lee a kol. což dokazuje, že mechanismus je krokový a jeho účelem je, že poskytuje nižší energetickou bariéru pro konformační změnu z konfigurace B-DNA na Z-DNA. Na rozdíl od předchozí představy vazebné proteiny ve skutečnosti nestabilizují konformaci Z-DNA po jejím vytvoření, ale místo toho ve skutečnosti podporují tvorbu Z-DNA přímo z B* konformace, která je tvořena B-DNA struktura je vázána vysoce afinitními proteiny.

Biologický význam

Biologická role Z-DNA v regulaci interferonových reakcí typu I byla potvrzena ve studiích tří dobře charakterizovaných vzácných Mendelovských chorob: Dyschromatosis Symmetrica Hereditaria (OMIM: 127400), Aicardi-Goutières syndrom (OMIM: 615010) a Bilateral Striatal Nekróza/Dystonie. Rodiny s haploidním transkriptomem ADAR umožnily mapování variant Zα přímo na onemocnění, což ukazuje, že genetická informace je kódována v DNA tvarem i sekvencí. Roli v regulaci interferonových reakcí typu I u rakoviny podporují také zjištění, že 40% panelu nádorů bylo na přežití závislých na enzymu ADAR.

V předchozích studiích byla Z-DNA spojena jak s Alzheimerovou chorobou, tak se systémovým lupus erythematosus . Aby to bylo možné předvést, byla provedena studie DNA nalezené v hippocampu mozků, které byly normální, středně postižené Alzheimerovou chorobou a těžce postiženy Alzheimerovou chorobou. Díky použití cirkulárního dichroismu tato studie ukázala přítomnost Z-DNA v DNA vážně postižených. V této studii bylo také zjištěno, že hlavní části středně postižené DNA byly v BZ intermediární konformaci. To je významné, protože z těchto zjištění bylo vyvozeno, že přechod z B-DNA na Z-DNA závisí na progresi Alzheimerovy choroby. Kromě toho je Z-DNA spojena se systémovým lupus erythematosus (SLE) prostřednictvím přítomnosti přirozeně se vyskytujících protilátek. Významná množství anti-Z-DNA protilátek byla nalezena u pacientů se SLE a nebyla přítomna u jiných revmatických onemocnění. Existují dva typy těchto protilátek. Prostřednictvím radioimunotestu bylo zjištěno, že jeden interaguje se základy vystavenými na povrchu Z-DNA a denaturované DNA, zatímco druhý interaguje výhradně s klikatou páteří pouze Z-DNA. Podobně jako u Alzheimerovy choroby se protilátky liší v závislosti na stádiu onemocnění, přičemž maximální množství protilátek je v nejaktivnějších fázích SLE.

Z-DNA v transkripci

O Z-DNA se běžně věří, že během transkripce poskytuje odlehčení torzního napětí , a je spojena s negativním superšroubováním . Nicméně, zatímco superšroubení je spojeno jak s transkripcí DNA, tak s replikací, tvorba Z-DNA je primárně spojena s rychlostí transkripce .

Studie lidského chromozomu 22 vykazoval korelaci mezi Z-DNA tvořící regiony a promotorové oblasti pro faktor I jaderné . To naznačuje, že transkripce v některých lidských genech může být regulována tvorbou Z-DNA a aktivací jaderného faktoru I.

Bylo ukázáno, že sekvence Z-DNA za promotorovými oblastmi stimulují transkripci. Největší nárůst aktivity je pozorován, když je sekvence Z-DNA umístěna tři šroubovicové závity za sekvencí promotoru . Kromě toho je nepravděpodobné, že by Z-DNA tvořila nukleozomy , které jsou často umístěny po sekvenci tvořící Z-DNA. Kvůli této vlastnosti se předpokládá, že Z-DNA kóduje polohování nukleosomů. Protože umístění nukleosomů ovlivňuje vazbu transkripčních faktorů , předpokládá se, že Z-DNA reguluje rychlost transkripce.

Bylo ukázáno, že Z-DNA vytvořená aktivní transkripcí, vyvinutá za dráhou RNA polymerázy přes negativní superšpirály, zvyšuje genetickou nestabilitu a vytváří sklon k mutagenezi poblíž promotorů. Studie na Escherichia coli zjistila, že genové delece se spontánně vyskytují v plazmidových oblastech obsahujících sekvence tvořící Z-DNA. V savčích buňkách bylo zjištěno, že přítomnost takových sekvencí produkuje velké delece genomových fragmentů v důsledku zlomů chromozomálních dvouřetězců . Obě tyto genetické modifikace byly spojeny s translokacemi genů nalezenými u rakovin, jako je leukémie a lymfom , protože oblasti zlomů v nádorových buňkách byly vykresleny kolem sekvencí tvořících Z-DNA. Menší delece v bakteriálních plazmidech však byly spojeny s replikačním skluzem , zatímco větší delece spojené s savčími buňkami jsou způsobeny nehomologní opravou spojující konec , o které je známo, že je náchylná k chybám.

Toxický účinek ethidiumbromidu (EtBr) na trypanosomy je způsoben posunem jejich kinetoplastidové DNA do Z-formy. Posun je způsoben interkalací EtBr a následným uvolněním struktury DNA, což vede k odvíjení DNA, posunu do Z-formy a inhibici replikace DNA.

Objev domény Zα

První doména vázající Z-DNA s vysokou afinitou byla objevena v ADAR1 pomocí přístupu vyvinutého Alanem Herbertem. Krystalografické a NMR studie potvrdily biochemické nálezy, že tato doména váže Z-DNA nesespecifickým způsobem. Související domény byly identifikovány v řadě dalších proteinů prostřednictvím sekvenční homologie . Identifikace domény Zα poskytla nástroj pro další krystalografické studie, které vedly k charakterizaci Z-RNA a spojení B – Z. Biologické studie naznačily, že vazebná doména Z-DNA ADAR1 může lokalizovat tento enzym, který modifikuje sekvenci nově vytvořené RNA do míst aktivní transkripce. Role Za, Z-DNA a Z-RNA při obraně genomu před invazí retroprvků Alu u lidí se vyvinula v mechanismus pro regulaci vrozených imunitních reakcí na dsRNA. Mutace v Za jsou kauzální pro lidské interferonopatie, jako je Mendelian Aicardi-Goutièresův syndrom.

Důsledky vazby Z-DNA na protein vakcinie E3L

Vzhledem k tomu, že Z-DNA byla důkladněji prozkoumána, bylo zjištěno, že struktura Z-DNA se může vázat na proteiny vázající Z-DNA disperzí v Londýně a vodíkovou vazbou . Jedním příkladem proteinu vázajícího Z-DNA je protein vakcinie E3L, který je produktem genu E3L a napodobuje protein savce, který váže Z-DNA. Protein E3L má nejen afinitu k Z-DNA, ale bylo také zjištěno, že hraje roli v míře závažnosti virulence u myší způsobené virem vakcinie, typem poxviru . Dvě kritické složky proteinu E3L, které určují virulenci, jsou N-konec a C-konec . N-konec je tvořen sekvencí podobnou sekvenci domény Zα, také nazývané doména z-alfa adenosin deaminázy , zatímco C-konec je tvořen dvouvláknovým vazebným motivem RNA. Prostřednictvím výzkumu, který provedli Kim, Y. et al. na Massachusetts Institute of Technology bylo ukázáno, že nahrazení N-konce E3L proteinu sekvencí domény Zα, obsahující 14 zbytků vázajících Z-DNA podobné E3L, mělo malý až žádný účinek na patogenitu viru u myší. V kontrastu, Kim, Y. a kol. také zjistili, že odstranění všech 83 zbytků E3L N-konce mělo za následek snížení virulence. To podporuje jejich tvrzení, že N-konec obsahující zbytky vázající Z-DNA je nezbytný pro virulenci. Celkově tato zjištění ukazují, že podobné zbytky vázající Z-DNA na N-konci proteinu E3L a v doméně Zα jsou nejdůležitějšími strukturálními faktory určujícími virulenci způsobenou virem vakcinie, zatímco aminokyselinové zbytky, které nejsou součástí Z-DNA vazba má malý nebo žádný účinek. Budoucí implikace těchto zjištění zahrnuje snížení vazby E3L na Z-DNA ve vakcínách obsahujících virus vakcinie, takže negativní reakce na virus lze u lidí minimalizovat.

Alexander Rich a Jin-Ah Kwon dále zjistili, že E3L působí jako transaktivátor pro lidské geny IL-6, NF-AT a p53. Jejich výsledky ukazují, že HeLa buňky obsahující E3L měly zvýšenou expresi genů pro lidský IL-6, NF-AT a p53 a bodové mutace nebo delece určitých aminokyselinových zbytků vázajících Z-DNA tuto expresi snížily. Konkrétně bylo zjištěno, že mutace v Tyr 48 a Pro 63 snižují transaktivaci výše uvedených genů v důsledku ztráty vodíkových vazeb a londýnských disperzních sil mezi E3L a Z-DNA. Celkově tyto výsledky ukazují, že snížení vazeb a interakcí mezi proteiny vázajícími Z-DNA a Z-DNA snižuje virulenci i genovou expresi, což ukazuje, že je důležité mít vazby mezi Z-DNA a vazebným proteinem E3L.

Srovnávací geometrie některých forem DNA

Boční pohled na A-, B- a Z-DNA.

Osa šroubovice A-, B- a Z-DNA.

Viz také

Reference