Zastaralé modely struktury DNA - Obsolete models of DNA structure - Wikipedia

Tři nejběžnější struktury dplex DNA: A-DNA (dehydratovaná struktura), B-DNA (nejběžnější struktura), Z-DNA (struktura odlehčení tahu během transkripce).

Kromě různých ověřených Struktury DNA, existuje řada zastaralých modelů, které byly buď vyvráceny, nebo jim chybí důkazy.

Některé z těchto struktur byly navrženy v padesátých letech před strukturou dvojitá šroubovice byla vyřešena, nejslavněji od Linuse Paulinga. Neshelické nebo „side-by-side“ modely DNA byly navrženy v 70. letech k řešení toho, co se v té době jevilo jako problém s topologií kruhové chromozomy DNA během replikace (následně vyřešen objevem enzymů, které modifikují topologii DNA).[1] Ty byly rovněž zamítnuty kvůli hromadění experimentálních důkazů od Rentgenová krystalografie, roztoková NMR, a mikroskopie atomové síly (samotné DNA a vázané na Proteiny vázající DNA ). Ačkoli existují lokalizované nebo přechodné neduplexní spirálové struktury,[2] non-helikální modely nejsou v současné době běžnou vědeckou komunitou přijímány.[3] Konečně existuje přetrvávající soubor současných okrajových teorií, které navrhují řadu nepodporovaných modelů.

Raná spekulativní struktura trojité šroubovice (1953)

Před strukturou Watson – Crick

Další informace: Dějiny molekulární biologie a Dvojitá šroubovice nukleové kyseliny

Dvojitá šroubovice DNA byla objevena v roce 1953[4] (s dalšími podrobnostmi v roce 1954[5]) na základě Rentgenová difrakce obrázky DNA a také párování bází chemické a biochemické informace.[6][7] Před tím rentgenová data shromážděná v padesátých letech naznačovala, že DNA vytvořila nějakou spirálu, ale dosud nebylo zjištěno, jaká je přesná struktura této spirály. Existovalo proto několik navrhovaných struktur, které byly později převráceny údaji podporujícími duplex DNA. Nejslavnější z těchto raných modelů byl od Linus Pauling a Roberyt Corey v roce 1953 navrhli trojitou šroubovici s fosfátovou páteří uvnitř a nukleotidovými bázemi směřujícími ven.[8][9] Téhož roku navrhl široce podobnou, ale podrobnou strukturu také Bruce Fraser.[10] Watson a Crick však brzy zjistili několik problémů s těmito modely:

  • Negativně nabité fosfáty v blízkosti osy se navzájem odpuzují, takže zůstává otázka, jak struktura třířetězců zůstává pohromadě.
  • V modelu se třemi šroubovicemi (konkrétně Pauling a Coreyho model) některé z van der Waalsovy vzdálenosti se zdají být příliš malé.

Objeven počáteční model dvojité šroubovice, nyní pojmenovaný DNA ve formě B je zdaleka nejběžnější konformací v buňkách.[11] V 70. letech byly identifikovány dvě další vzácnější spirálové konformace, které se také přirozeně vyskytují: A-forma DNA, a DNA ve tvaru Z.[12]

Neshelické návrhy struktury

Před objevem topoizomeráz

Návrh modelu lineárního tetraplexu (1969)[13]

Dokonce i po vyřešení duplexní struktury DNA byla zpočátku otevřená otázka, zda jsou k vysvětlení její celkové topologie zapotřebí další struktury DNA. zpočátku existovaly otázky, jak by to mohlo ovlivnit replikaci DNA. V roce 1963 autorádiografy z E-coli chromozóm prokázal, že se jednalo o jediná kruhová molekula který je replikován na dvojici replikační vidlice ve kterém se syntetizují oba nové řetězce DNA.[14] Dva dceřiné chromozomy po replikaci by proto byly topologicky spojeny. Oddělení dvou spojených dceřiných řetězců DNA během replikace buď vyžadovalo, aby DNA měla šroubovicový zákrut s nulovým síťovým tokem, nebo aby byla vlákna rozřezána, zkřížena a znovu spojena. Právě tyto zjevné rozpory se pokusily řešit rané nešnekové modely až do objevení topoizomerázy v roce 1970 problém vyřešil.[15][16]

V šedesátých a sedmdesátých letech byla vyslovena hypotéza o řadě struktur, které by po celé délce DNA vytvářely spirálovitý zákrut s nulovou hodnotou sítě, a to buď tím, že byly zcela rovné, nebo střídáním spirálovitých zákrutů pro praváky a leváky.[17][18] Například v roce 1969 byla vyslovena hypotéza o lineární tetramerové struktuře,[13] a v roce 1976 byla dvěma různými skupinami nezávisle navržena struktura se střídavými úseky šroubovice pro praváky a leváky.[19][20] Model střídání zákrutů byl zpočátku představován s helicitou měnící se každou půl otáčku, ale později byly později navrženy dlouhé úseky každého spirálového směru.[21] Tyto modely však trpěly nedostatkem experimentální podpory.[22] Při torzním namáhání, a Z-DNA struktura se může tvořit s opačným kroucením než DNA ve formě B, ale v buněčném prostředí je to vzácné.[23] Objev topoizomerázy a gyrázy Enzymy, které dokážou změnit počet vazeb kruhových nukleových kyselin a tak „odvíjet“ a „převíjet“ replikující se bakteriální chromozom, vyřešily topologické námitky proti helikální struktuře DNA ve formě B.[24] Ve skutečnosti, při absenci těchto enzymů měnících topologii, malá kruhová virová a plazmidová DNA jsou neoddělitelná nosná konstrukce, jejíž prameny jsou topologicky spojeny dohromady.[25]

Nešroubovicové návrhy DNA proto upustily od mainstreamové vědy.[3][15]

Návrh struktury modelu Side-by-Side (1976)[17]

Potvrzení šroubovicové struktury

Zpočátku existovaly otázky, zda vyřešené struktury DNA jsou artefakty použitých technik rentgenové krystalografie. Struktura DNA však byla následně potvrzena v roztoku gelovými elektroforetickými metodami[26] a později prostřednictvím roztoková NMR[27] a AFM[28] což naznačuje, že proces krystalografie jej nezkreslil. Struktura DNA v komplexu s nukleosomy, helikázy a mnoho dalších Proteiny vázající DNA také podpořila jeho biologický význam in vivo.[29]

Perzistence jako okrajové teorie

Přes důkazy podporující duplexní modely DNA byly v 80. letech 20. století následně navrženy alternativní modely[30] a do 2000.[31][32] Kvůli nedostatku důkazů a rozporu s jinými experimenty byly vědeckou komunitou odmítnuty jako nedostatečné důkazy a pokus o vyřešení vyřešeného problému.[3] V roce 2009 You Cheng Xu poznamenal, že krátké doby opětovného žíhání (tj. 20–30 minut) vedly k anomálním strukturám, které nemigrovaly společně s rutinně připravenými topoizomery DNA, zatímco prodloužené doby opětovného žíhání (v jeho případě 72 hodin při 4º) vedly ke strukturám, které migrovaly společně s topoizomery, což naznačuje normální párování bází. Interpretovali svá data tak, že podporují možnost, že se dvě vlákna uvnitř nativní dvojité šroubovice DNA vinou spíše oboustranně než plektonemicky, přičemž regiony pro levou a pravou ruku koexistují v topoizomeru s nulovým spojovacím číslem. [34] Zjištění, že dva kruhové řetězce nadšroubovicového nebo uvolněného plazmidu lze jemně disociovat ve vodném roztoku s nízkým obsahem soli nebo čisté vodě, poskytuje další důkazy podporující model oboustranné dvojité šroubovice. V dubnu 2019 Dr. Pawan Kumar z All India Institute of Medical Sciences „New Delhi publikoval výzkum, který uvádí, že dva řetězce plazmidu pUC19 lze rozdělit na jednotlivé řetězce kruhového DNA přidáním hydroxidu sodného. [35] Oddělené řetězce plazmidové DNA se znovu spojily za vzniku dvouřetězcového plazmidu za vhodných podmínek. Kromě toho bylo zjištěno, že plazmidová DNA vytvořená reanealizací jednotlivých řetězců je svými vlastnostmi podobná nativnímu plazmidu. Tato zjištění ukázala, že dvě vlákna plazmidové DNA lze reverzibilně rozdělit na jednotlivá vlákna a byla v rozporu s Watsonovým a Crickovým modelem struktury DNA. Kumarova zpráva byla vážně kritizována, mimo jiné od You Cheng Xu z UT Southwestern Medical Center v Dallasu, který napsal, že Kumar se „zcela mýlí“ a že předložené důkazy „nemohou podpořit jeho závěr.“ [36] Xu publikoval článek v časopis Symmetry v listopadu 2019, který zpochybňuje model dvojité šroubovice. [37]. Poskytl také návrh výzkumu k testování domněnky dvojité šroubovice, která může prokázat, že v jakémkoli plazmidu lze nalézt nulové spojovací číslo.

Reference

  1. ^ Stokes, T. D. (1982). „Dvojitá spirála a pokřivený zip - příkladný příběh“. Sociální vědy. 12 (2): 207–240. doi:10.1177/030631282012002002. PMID  11620855.
  2. ^ Sinden, Richard R. (1994). "Různé alternativní konformace DNA". Struktura a funkce DNA. Elsevier. 259–286. doi:10.1016 / b978-0-08-057173-7.50012-2. ISBN  9780080571737.
  3. ^ A b C Gautham, N. (2004). „Odpověď na“ Rozmanitost v sekundární struktuře DNA"" (PDF). Současná věda. 86 (10): 1352–1353. Avšak objev topoizomeráz odstranil „bodnutí“ z topologické námitky proti plectonaemické dvojité šroubovici. Novější řešení rentgenové struktury monokrystalu jádrové částice nukleosomu ukázalo téměř 150 párů bází DNA (tj. Přibližně 15 úplných závitů) se strukturou, která je ve všech podstatných ohledech stejná jako Watson – Crickův model. To zasadilo smrtelnou ránu myšlence, že jiné formy DNA, zejména DNA s dvojitou spirálou, existují jako cokoli jiného než lokální nebo přechodné struktury.
  4. ^ Watson, J. D.; Crick, F. (1953). "Struktura pro deoxyribosovou nukleovou kyselinu" (PDF). Příroda. 171 (4356): 737–8. Bibcode:1953Natur.171..737W. doi:10.1038 / 171737a0. PMID  13054692.
  5. ^ Crick, F. & Watson, J. D. (1954). „Doplňková struktura deoxyribonukleové kyseliny“ (PDF). Sborník královské společnosti v Londýně. 223A: 80–96.
  6. ^ Magasanik B, Vischer E, Doniger R, Elson D, Chargaff E (1950). "Oddělení a odhad ribonukleotidů v nepatrném množství". J. Biol. Chem. 186 (1): 37–50. PMID  14778802.
  7. ^ Chargaff E (1950). "Chemická specificita nukleových kyselin a mechanismus jejich enzymatické degradace". Experientia. 6 (6): 201–209. doi:10.1007 / BF02173653. PMID  15421335.
  8. ^ Pauling L, Corey RB (únor 1953). „Navrhovaná struktura nukleových kyselin“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 39 (2): 84–97. doi:10.1073 / pnas.39.2.84. PMC  1063734. PMID  16578429.
  9. ^ Pauling L, Corey RB (únor 1953). "Struktura nukleových kyselin". Příroda. 171 (4347): 346. doi:10.1038 / 171346a0. PMID  13036888.
  10. ^ Fraser B (1953). „Struktura nukleové kyseliny deoxyribózy“. Journal of Structural Biology. 145 (3): 184–5. doi:10.1016 / j.jsb.2004.01.001. PMID  14997898.
  11. ^ Richmond TJ, Davey CA (2003). "Struktura DNA v jádře nukleosomu". Příroda. 423 (6936): 145–50. Bibcode:2003 Natur.423..145R. doi:10.1038 / nature01595. PMID  12736678.
  12. ^ Sinden, Richard R. (1994). Struktura a funkce DNA. San Diego: Akademický tisk. ISBN  0126457506. OCLC  30109829.
  13. ^ A b Wu, Tai Te (1969). „Sekundární struktury DNA“. Sborník Národní akademie věd. 63 (2): 400–405. doi:10.1073 / pnas.63.2.400. ISSN  0027-8424. PMC  223578. PMID  5257129.
  14. ^ Cairns, J. (1963). "Bakteriální chromozom a jeho způsob replikace, jak je vidět autoradiografií". J. Mol. Biol. 6 (3): 208–13. doi:10.1016 / s0022-2836 (63) 80070-4. PMID  14017761.
  15. ^ A b Biegeleisen K (2002). "Topologicky nevázaná kruhová duplexní DNA". Býk. Matematika. Biol. 64 (3): 589–609. CiteSeerX  10.1.1.573.5418. doi:10.1006 / bulm.2002.0288. PMID  12094410.
  16. ^ Wang, J. C. (2002). "Buněčné role DNA topoizomeráz: molekulární perspektiva". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 3 (6): 430–440. doi:10.1038 / nrm831. ISSN  1471-0072. PMID  12042765.
  17. ^ A b Rodley GA, Scobie RS, Bates RH, Lewitt RM (1976). „Možná konformace pro dvouvláknové polynukleotidy“. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 73 (9): 2959–63. Bibcode:1976PNAS ... 73.2959R. doi:10.1073 / pnas.73.9.2959. PMC  430891. PMID  1067594.
  18. ^ Sasisekharan, V.; Pattabiraman, N. (1976). „Dvojité standardní polynukleotidy: dvě typické alternativní konformace pro nukleové kyseliny“ (PDF). Curr. Sci. 45: 779–783.
  19. ^ Sasisekharan, V.; Pattabiraman, N. (1976). "Dvouvláknové polynukleotidy: dvě typické alternativní konformace pro nukleové kyseliny". Současná věda. 45: 779–783.
  20. ^ Sasisekharan, V.; Pattabiraman, N .; Gupta, G. (1978). „Některé důsledky alternativní struktury pro DNA“. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 75 (9): 4092–6. Bibcode:1978PNAS ... 75.4092S. doi:10.1073 / pnas.75.9.4092. PMC  336057. PMID  279899.
  21. ^ Rodley, G. A. (1995). "Přehodnocení některých výsledků pro lineární a cirkulární DNA". Journal of Biosciences. 20 (2): 245–257. doi:10.1007 / BF02703272.
  22. ^ Crick, F. H.; Wang, J. C.; Bauer, W. R. (1979). „Je DNA opravdu dvojitá spirála?“ (PDF). J. Mol. Biol. 129 (3): 449–457. doi:10.1016/0022-2836(79)90506-0. PMID  458852.
  23. ^ Rich, Alexander; Zhang, Shuguang (2003). „Z-DNA: dlouhá cesta k biologickým funkcím“. Genetika hodnocení přírody. 4 (7): 566–572. doi:10.1038 / nrg1115. ISSN  1471-0064. PMID  12838348.
  24. ^ Keszthelyi, Andrea; Minchell, Nicola; Baxter, Jonathan (2016). „Příčiny a důsledky topologického stresu během replikace DNA“. Geny. 7 (12): 134. doi:10,3390 / geny7120134. ISSN  2073-4425. PMC  5192510. PMID  28009828.
  25. ^ Vinograd J, Lebowitz J, Radloff R, Watson R, Laipis P (1965). „Kroucená kruhová forma polyomové virové DNA“. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 53 (5): 1104–11. Bibcode:1965PNAS ... 53.1104V. doi:10.1073 / pnas.53.5.1104. PMC  301380. PMID  4287964.
  26. ^ Wang, J. C. (1979). „Čelní opakování DNA v roztoku“. Sborník Národní akademie věd. 76 (1): 200–203. doi:10.1073 / pnas.76.1.200. ISSN  0027-8424. PMC  382905. PMID  284332.
  27. ^ Ghosh, Anirban; Kar, Rajiv Kumar; Jana, Jagannath; Saha, Abhijit; Jana, Batakrishna; Krishnamoorthy, Janarthanan; Kumar, Dinesh; Ghosh, Surajit; Chatterjee, Subhrangsu (2014). „Indolicidin cílí na duplexní DNA: strukturální a mechanický pohled prostřednictvím kombinace spektroskopie a mikroskopie“. ChemMedChem. 9 (9): 2052–2058. doi:10,1002 / cmdc.201402215. hdl:2027.42/108345. ISSN  1860-7179. PMID  25044630.
  28. ^ Pyne, Alice; Thompson, Ruth; Leung, Carl; Roy, Debdulal; Hoogenboom, Bart W. (2014). „Rekonstrukce sekundární struktury oligonukleotidů jednou molekulou pomocí mikroskopie atomové síly“ (PDF). Malý. 10 (16): 3257–3261. doi:10.1002 / smll.201400265. ISSN  1613-6829. PMID  24740866.
  29. ^ Morgunova, E .; Taipale, J. (2017). „Strukturální perspektiva vazby kooperativního transkripčního faktoru“. Aktuální názor na strukturní biologii. Interakce protein-nukleová kyselina • Katalýza a regulace. 47: 1–8. doi:10.1016 / j.sbi.2017.03.006. ISSN  0959-440X. PMID  28349863.
  30. ^ Yagil, G .; Sussman, J. L. (1986). „Strukturální modely pro nešroubovicovou DNA“. Časopis EMBO. 5 (7): 1719–1725. doi:10.1002 / j.1460-2075.1986.tb04416.x. ISSN  0261-4189. PMC  1166999. PMID  3017709.
  31. ^ Wu R, Wu T (1996). "Nová intaktní kruhová dsDNA supercoil". Býk. Matematika. Biol. 58 (6): 1171–85. doi:10.1007 / BF02458388. PMID  8953261.
  32. ^ Biegeleisen, K. (2006). „Pravděpodobná struktura komplexu protamin – DNA“. Journal of Theoretical Biology. 241 (3): 533–540. doi:10.1016 / j.jtbi.2005.12.015. ISSN  0022-5193. PMID  16442565.