Конформационная изменчивость двойных спиралей ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) является одним из основных носителей наследственной информации. Структурная физико-химическая информация ДНК определяет в конечном счете строение и функционирование всех живых организмов. В ДНК же накапливаются разнообразные мутационные и происходят рекомбинационные события, которые приводят к изменчивости организмов и подлежат как естественному, так и искусственному отбору. Взаимодействие «генотип-среда» присущее всем живым организмам свойственно и ДНК, которая находится во внутриклеточном и внутриядерном физико-химическом окружении молекул воды, сахаров, ионов металлов, рН, нуклеотидов и других компонентов. Установление и изучение физико-химических свойств нативной ДНК способствует не только пониманию механизмов строения основной наследственной биомолекулы, но и выяснить их функционирование, а также взаимодействие с другими молекулами на молекулярном уровне. Обнаружение разнообразных форм двойных спиралей: A, Aʹ, B, α-Bʹ, β-Bʹ, C, Cʹ, Cʹʹ, D, E и Z наталкивает на мысль о молекулярно-генетическом разнообразии существующем на уровне ДНК и установление их структурно-функциональных особенностей способно привести к пониманию реализации генетической информации на общебиологическом уровне. Структура природных ДНК в целом, по-видимому, не зависит от последовательности и нуклеотидного состава. Для природных молекул - сателлитных ДНК с повторами или ДНК без повторов, подтверждено наличие только А-, В- и С-форм. Структура ДНК зависит не только от температуры, но и от природы присутствующих катионов. Наличие в среде определенного количества ионов металлов может приводить к переходу В-формы ДНК в Z-форму. В ↔ Zпереход модифицирует общую структуру ДНК, а, следовательно, может оказаться важным для регуляции генной экспрессии. Изучение биологической роли Z-ДНК возможно в ближайшем будущем поможет понять механизм экспрессии генов, прежде всего эпигенетического характера, который до конца пока еще не выяснен.

1. Сивожелезова Н.А., Мишакова В.Н. Значение открытия структуры ДНК для молекулярной генетики и сельского хозяйства. Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2014;(4):164-167. [Sivozhelezova N.A., Mishakova V.N. The significance of the discovery of DNA structure for molecular genetics and agriculture. Bulletin of the Orenburg State Agrarian University. 2014;(4):164-167. (in Russian)]

2. Чесноков Ю.В. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости и молекулярная гомология генов. Сельскохозяйственная биология. 2007;(5):9-14. [Chesnokov Yu.V. Law of homologous series in hereditary variability and molecular homology of genes. Agricultural Biology. 2007;(5):9-14. (in Russian)]

3. Broadhurst L., Breed M., Lowe A., Bragg J., Catullo R., Coates D.J., EnsinasViso F., Gellie N., James E., Krauss S., Potts B., Rossetto M., Shepherd M., Byrne M. Genetic diversity and structure of the Australian flora. Divers. Distrib. 2017;(23):41–52. https://doi.org/10.1111/ddi.12505

4. Coates D.J., Byrne M., Moritz C. Genetic Diversity and Conservation Units: Dealing With the Species-Population Continuum in the Age of Genomics. Front. Ecol. Evol. 2018;(6):165. https://doi.org/10.3389/fevo.2018.00165

5. Leslie A.G.W., Arnott S., Chandrasekaran R., Ratliff R.L. Polymorphism of DNA double helices. J. Mol. Biol. 1980;(143):49-72. https://doi.org/10.1016/0022-2836(80)90124-2

6. Arnott S., Hukins D.W.L. Opimised parameters for a-DNA and B-DNA. Biochem. Biophys. Res. Commun. 1972;(47):1504-1509. https://doi.org/10.1016/0006-291x(72)90243-4

7. Arnott S., Chandrasekaran R. Fibrous polynucleotide duplexes have very polymorphic secondary structures. In Biomolecular stereodynamics (ed. R.H. Sarma). Adenine Press, New York. 1981;(I): 99-122.

8. Marvin D.A., Spencer M., Wilkins M.H.F., Hamilton L.D. The molecular configuration of DNA. III. X-ray diffraction study of the C form of the lithium salt. J. Mol. Biol. 1961;(3):547-565. https://doi.org/10.1016/s0022-2836(61)80021-1

9. Arnott S., Chandrasekaran R., Hukins D.W.L., Smith P.L.C., Watts L. Structural details of a double-helix observed for DNAs containing alternating purine-pyrimidine sequences. J. Mol. Biol. 1974;(88):523-533. https://doi.org/10.1016.0022-2836(74)90499-9

10. Wang A.H.-J., Quigley G.J., Kolpak F.J., Crawford J.L., Boom J.H. van, Marel G van der, Rich A. Molecular structure of a left-handed double helical DNA fragment at atomic resolution. Nature. 1979;(282):680-686. https://doi.org/10.1038/282680a0

11. Ghosh A., Bansal M. A glossary of DNA structures from A to Z. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 2003;(59):620-626. https://doi.org/10.1107/s0907444903003251

12. Du Y., Zhou X. Targeting non-B-form DNA in living cells. Chem. Rec. 2013;(13):371-384. https://doi.org/10.1002/tcr.201300005

13. Waters J.T., Lu X.-J., Galindo-Murillo R., Gumbart J.C., Kim H.D., Cheatham T.E. III, Harvey S.C. Transitions of Double-Stranded DNA Between the A- and BForms. J. Phys. Chem B. 2016;(120):8449–8456. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.6b02155

14. Bram S. Secondary structure of DNA depends on base composition. Nature New Biol. 1971;(232):174-176. https://doi.org/10.1038/newbio232174a0

15. Bram S., Tougard P. Polymorphism of natural DNA. Nature New Biol. 1972;(239):128-131. https://doi.org/10.1038/newbio239128a0

16. Pilet J., Blicharski J., Brahms J. Conformations and structural transitions in polydeoxynucleotides. Biochemistry. 1975;(14):1869-1876. https://doi.org/10.1016/0022-2836(80)90124-2

17. Gray D.M., Gall J.G., The circular dichroism spectra of three Drosophila virilis satellite DNA’s. J. Mol. Biol. 1974;(85):665-679. https://doi.org/10.1016/S0022-2836(75)80112-4

18. Arnott S. The sequence dependence of circular dichroism spectra of DNA duplexes. Nucl. Acids Res. 1975;(2):1493-1502. https://doi.org/10.1093/nar/2.9.1493

19. Selsing E., Arnott S. Conformations of A-T rich DNA’s. Nucl. Acids Res. 1976;(3):2443-2450. https://doi.org/10.1093/nar/3.10.2443

20. Premilat S., Albiser G. X-ray diffraction study of three DNA fibers with different base composition. J. Mol. Biol. 1975;(99):27-36. https://doi.org/10.1006/viro.2002.1602

21. Klug A., Jack A., Viswamitra M.A., Kennard O., Shakked Z., Steitz T.A. A hypothesis on a specific sequence-dependent conformation of DNA and its relation to the binding of the lac-repressor protein. J. Mol. Biol. 1979;(131):669-680. https://doi.org/10.1016/0022-2836(84)90176-1

22. Pilet J., Brahms J. Dependence of B-A conformational change in DNA on base composition. Nature New Biol. 1972;(236):99-100. https://doi.org/10.1038/newbio236099a0

23. Drew H., Takano T., Tapaka S., Itakura K., Dickerson R.E. High-salt d(CpGpCpG): A left-handed Zʹ DNA double helix. Nature. 1980;(286):567-573. https://doi.org/10.1038/286567a0

24. Svozil D., Kalina J., Omelka M., Schneider B. DNA conformations and their sequence preferences. Nucleic Acids Res. 2008;(36):3690–3706. https://doi.org/10.1093/nar/gkn260

25. Dans P.D., Balaceanu A., Pasi M., Patelli A.S., Petkevičiūtė D., Walther J., Hospital A., Bayarri G., Lavery R., Maddocks J.H., Orozco M. The static and dynamic structural heterogeneities of B-DNA: extending Calladine–Dickerson rules. Nucleic Acids Res. 2019;(47):11090–11102. https://doi.org/10.1093/nar/gkz905

26. Langridge R., Marvin D.A., Seeds W.E., Wilson H.R., Hooper C.W., Wilkins M.H.F., Hamilton L.D. The molecular configuration of deoxyribonucleic acid. II. Molecular models and their Fourier transforms. J. Mol. Biol. 1960;(2):38-64. https://doi.org/10.1016/0022-2836(79)90507-2

27. Marvin D.A., Spencer M., Wilkins M.H.F., Hamilton L.D. The molecular configuration of DNA. III. X-ray diffraction study of the C form of the lithium salt. J. Mol. Biol. 1961;(3):547-565. https://doi.org/10.1016/S0022-2836(61)80021-1

28. Fuller W., Wilkins M.H.F., Wilson H.R., Hamilton L.D. The molecular configuration of deoxyribonucleic acid. IV. X-ray diffraction study of the A-form. J. Mol. Biol. 1965;(12):60-80. https://doi.org/10.1016/s0022-2836(65)80282-0

29. Anderson P., Bauer W. Supercoiling in closed circular DNA: dependence upon ion type and concentration. Biochemistry. 1978;(17):594-601. https://doi.org/10.1021/bi00597a006

30. Chan A., Kilkuskie R., Hanlon S. Correlation between the duplex winding angle and the circular dichroism spectrum of calf thymus DNA. Biochemistry. 1979;(18):84-91. https://doi.org/10.1021/bi00568a013

31. Ivanov V.I., Minchenkova L.E., Schyolkina A.K., Poletayev A.I. Different conformations of double stranded nucleic acids in solution as revealed by circular dichroism. Biopolymers. 1973;(12):89-100 https://doi.org/10.1002/bip.1973.360120109

32. Weiner P.K., Langridge R., Blaney J.M., Schaefer R., Kollman P. Electrostatic potential molecular surfaces. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1982;(79):3754-3758. https://doi.org/10.1073/pnas.79.12.3754

33. Barone G., Guerra C.F., Bickelhaupt F.M. B-DNA structure and stability as function of nucleic acid composition: Dispersion-corrected DFT study of dinucleoside monophosphate single and double strands. Chemistry Open. 2013;(2):186-193. https://doi.org/10.1002/open.201300019

34. Wang J.C., Jacobsen J.H., Saucier J.-M. Physicochemical studies on interaction between DNA and RNA polymerase. Unwinding of the DNA helix by Escherichia coli RNA polymerase. Nucl. Acids Res. 1977;(4):1225-1241. https://doi.org/10.1093/nar/4.5.1225

35. Dickerson R.E., Drew H.R., Conner B.N., Wing R.M., Fratini A.V., Kopka M.L. The anatomy of A-, B-, and Z-DNA. Science. 1982;(216):475-485. https://doi.org/10.1126/science.7071593

36. Мокульский М.А., Капитонова К.А., Мокульская Т.Д. Вторичная структура ДНК фага Т2. Мол. Биол. 1972;(6):34-38. [Mokulsky M.A., Kapitonova K.A., Mokulskaya T.D. Secondary structure of T2 phage DNA. Mol. Biol. 1972;(6:)34-38. (in Russian)]

37. Arnot S., Selsing E. The conformation of C-DNA. J. Mol. Biol. 1975;(98):265- 269. https://doi.org/10.1016/S0022-2836(75)80115-X

38. Brahms J., Pilet J., Lan T.-T.P., Hill L.R. Direct evidence of the C-like form of sodium deoxyribonucleate. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1973;(70):3352-3355. https://doi.org/10.1073/pnas.70.12.3352

39. Rhodes N.J., Mahendrasingam A., Pigram W.J., Fuller W., Brahms J., Vergne J.,Warren R.A.J. The C conformation in low salt form of sodium DNA. Nature. 1982;(296):267-269. https://doi.org/10.1038/296267a0

40. Ussery D.W. DNA Structure: A-, B- and Z-DNA helix families. Encyclopedia of Life Sciences. Macmillan Publishers Ltd, Nature Publishing Group. 2002. P.1-7. https://doi.org/10.1038/npg.els.0003122

41. Pohl F.M., Jovin T.M. Salt-induced co-operative conformational change of a synthetic DNA: equilibrium and kinetic studies with poly d(G-C). J. Mol. Biol. 1972;(67):375-396. https://doi.org/10.1016/0022-2836(72)90457-3

42. Razin A., Riggs A.D. DNA methylation and gene function. Science. 1980;(210):604-610. https://doi.org./10.1126/science.6254144

43. Behe M., Felsenfeld G. Effects on methylation on a synthetic polynucleotide: The B-Z transition in poly(dG-m5C) • poly(dG-m5C). Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1981;(78):1619-1623. https://doi.org/10.1073/pnas.78.3.1619

44. Sande J.H. van de, Jovin T.M. Z*DANN, the left-handed helical from of poly[d(G-C)] in MgCl2-ethanol, is biologically active. EMBO J. 1982;(1):115-120. https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1982.tb01133.x

45. Klysik J., Stirdivant S.M., Larson J.E., Hart P.A., Wells R.D. Left-handed DNA in restriction fragments and a recombinant plasmid. Nature. 1981;(290):672-677. https://doi.org/10.1038/290672a0

46. Singleton C.K., Klysik J., Stirdivant S.M., Wells R.D. Left-handed Z-DNA is induced by supercoiling in physiological ionic conditions. Nature. 1982;(299):312- 316. https://doi.org/10.1038/299312a0

47. Santella R.M., Grunberger D., Weinstein I.B., Rich A. Induction of the Z conformation of poly(dG-dC) • poly(dG-dC) by binding of N-2-acetiylaminofluorene to guanine residues. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1981;(78):1451-1455. https://doi.org/10.1073/pnas.78.3.1451

48. Job D., Marmillot P., Job C., Jovin T.M. Transcription of left-handed Z-DNA templates: increased rate of single-step addition reactions catalyzed by wheat germ RNA polymerase II. Biochemistry. 1988;(27):6371-6378. https://doi.org/10.1021/bi00417a027

49. Ferl R.J., Paul A.L. Chemical detection of Z-DNA within the maize Adh1 promoter. Plant Mol. Biol. 1992;(18):1181-1184. https://doi.org/10.1007/BF00047722

50. Cerna A., Cuadrado A., Jouve N., Diaz dela Espina S.M., De la Torre C. ZDNA, a new in situ marker for transcription. Eur. J. Histochem. 2004;(48):49-56. https://doi.org/10.4081/856

51. Nicol J., Behe M., Felsenfeld G. Effect of the B-Z transition in poly(dG-dm5C) • poly(dG-dm5C) on nucleosome formation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1982;(79):1771-1775. https://doi.org/10.1073/pnas.79.6.1771

52. Sande J.H. van de, Jovin T.M. Z*-DNA, the left-handed helical form of poly[d(GC)] in MgCl2-ethanol, is biologically active. EMBO J. 1982;(1):115-120. https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1982.tb01133.x

53. Zhou C., Zhou F., Xu Y. Comparative analyses of distributions and functions of Z-DNA in Arabidopsis and rice. Genomics. 2009;(93):383–391. https://doi.org/10.1016/j.ygeno.2008.11.012

54. Vongsutilers V., Shinohara Y., Kawai G. Epigenetic TET-catalyzed oxidative products of 5‑methylcytosine impede Z‑DNA formation of CG decamers. ACS Omega. 2020;(5):8056−8064. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c00120