Конформационная динамика нуклеиновых кислот при взаимодействии с лигандами (1098269), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Формирование квадруплексной структуры из заданнойквадруплексной последовательности может происходить различными путями –и зависит этот путь от числа G-блоков. Четыре отдельных цепи могут ассоциировать друг с другом с образованием межмолекулярного G-квадруплекса (Рисунок 3.11).Внутримолекулярные тетраплексы образуются из одноцепочечной молекулы в результате сложной пространственной укладки нуклеотидной цепи (Рисунок 3.12). Фундаментальный строительный элемент всех квадруплексныхструктур – G-квартет.
Квартеты в структуре квадруплекса располагаются другнад другом. причем минимум два квартета необходимы для структурной стабильности тетраплекса [240]. Число остатков гуанина в каждом отдельном Gблоке напрямую связано с количеством G-тетрад в окончательно свернутомквадруплексе. Например, в ДНК теломер млекопитающих (тандемный повтор113Рисунок 3.11: Четырехтяжевой межмолекулярный параллельныйG-квадруплек.TTAGGG) квадруплексы, образованные четырьмя такими повторами, имеюттри расположенных друг над другом G-квартета [241].Рисунок 3.12: Сворачивание цепи ДНК в одномолекулярный G-квадруплекс стремя G-тетрадами.Два варианта укладки олигонуклеотида AGGG(TTAGGG)3 различаются направленностью полинуклеотидной цепи в различных тяжах квадруплекса.
Слева: топология с петлями латерального и диагонального типов [242]; справа: топология с петлями пропеллерного типа, обращающими ход цепи [243]. Квадруплекс стабилизируют те же самые факторы, что и дуплекс ДНК: стэкингвзаимодействие оснований, водородные связи, электростатические взаимодей114ствия и гидратная оболочка. Гидратация сахарофосфатного остова очень важна для стабильности структуры: в упорядоченной гидратной оболочке молекулы воды с помощью разветвленной сети водородных связей объединяют в единое целое основания, сахара и заряженные фосфаты, которые локализованы навнешней поверхности квадруплекса [244—246].Кроме этих стандартных факторов, стабилизирующих дуплексы ДНК, уквадруплексов есть специфическая, весьма важная, составляющая – большойвклад в стабильность вносит координация О6 карбонильной группы катионами[247; 248].
Атомы О6 образуют квадрат в каждом квартете, что в квадруплекседает бипирамидную антипризму с расстоянием 3,3Å между квартетами [249].Это отрицательно заряженное пространство между тетрадами должно бытьстабилизировано путем координации катиона. На стабильность образованного квадруплекса существенно влияет природа катиона: размер/ионный радиуси заряд [248].Четыре гуанозиновых нуклеозида в составе тетрады могут существовать либо в анти-, либо в син-конформации относительно гликозидной связи – а значит,существует 16 возможных комбинаций. Взаимная ориентация отдельных цепейв квадруплексе влияет на значение торсионного угла вокруг N-гликозидной связи. Например, при параллельной ориентации всех четырех цепей (Рисунок 3.11)все гликозидные углы находятся в анти-конформации.При антипараллельной ориентации в составе квадруплексов присутствуюткак син-, так и анти-гуанины, вне зависимости от того, образован квадруплексчетыремя цепями или одной.Различные нуклеотидные последовательности между G-блоками формируют внеспиральные петли.
Эти петли бывают трех типов. В параллельном внутримолекулярном квадруплексе необходима петля, соединяющая нижнюю G115тетраду с верхней, в результате чего получаются петли пропеллерного типа (Рисунок 3.12, справа). Антипараллельные квадруплексы сформированы так, чтов них хотя бы одна цепь антипараллельна другим. Такая топология тетрад обнаружена в большинстве определенных на текущий момент бимолекулярных ивнутримолекулярных квадруплексных структур.Помимо пропеллерных в квадруплексах встречается еще два типа петель.Латеральные (боковые) петли соединяют соседние G-тяжи. Две таких петли могут располагаться как на одном, так и на противоположных полюсах молекулы,что соответствует положению ``голова к голове'' или ``голова к хвосту'' в бимолекулярных комплексах.
Другой тип антипараллельных петель – диагональныепетли, соединяющие противоположные G-тяжи (Рисунок 3.12, слева).Все квадруплексные структуры имеют четыре бороздки – в отличие от двойной спирали, имеющей только две. Бороздки образуются полостями, ограниченными сахарофосфатными остовами. Размеры бороздок очень сильно разнятся, что определяется общей топологией и природой петель, а также гликозидных углов. В квадруплексах с петлями исключительно диагонального илилатерального типа бороздки структурно просты, в квадруплексах с петлямипропеллерного типа бороздки имеют более сложный характер. Таким образом,существует ряд структурных переменных (число G-тетрад, их последовательность и длина, тип и направленность петель), которые взятые вместе приводят к большому топологическому и структурному разнообразию квадруплексов.
Мы попытались выявить взаимосвязь между структурой и свойствами Gквадруплексных ДНК и определить факторы, влияющие на геометрию квадруплексов.1163.3.2Сравнение геометрических параметров для известныхтипов квадруплексовДаже поверхностный анализ многообразия обнаруженных для квадруплексов вариантов структур, присутствующих в базе данных PDB, приводит к заключению о необходимости систематизации и выработке универсальных параметров описания структуры квартетов и их полиморфизма.
До настоящего времени такие попытки в литературе не описаны. В качестве структурных характеристик квадруплексов мы выбрали два параметра. Первый – это угол закручивания квадруплекса, т.е. угол поворота между двумя соседними квартетами,соответсвующий углу между двумя векторами, проходящими через атомы C1'двух соседних гуанинов (Рисунок 4.1). Этот параметр широко используется дляописания структур двойной спирали спирали[250]. Второй параметр более оригинален – он описывает отклонение квартетов от планарности – это расстояниемежду центрами масс двух квадратов, образованных атомами О6 и N9.
Два этихпараметра позволяют в достаточной мере описать конформационный полиморфизм и конформационную подвижность структуры квадруплексной ДНК.Четырехтяжевые параллельные квадруплексыСостав группы (PDBID):• 1EVM [251], 1EVN [251], 1NP9 [252], 1NZM [253], [254]1O0K - теломерная ДНК (человек)• 139D [255; 256] – теломерная ДНК (Tetrahymena)• 1EMQ [257] – теломерная ДНК (Saccharomyces cerevisiae)• 1EVO [258] – фрагмент вирусного генома SV40117В рассматриваемом ряду представлен простейший вариант устройства квадруплексных структур. Угол закручивания в таких структурах можно рассматривать как идеальный, поскольку ассоциация четырех тяжей не накладываетникаких структурных ограничений, чего не наблюдается в случае би- и мономолекулярных квадруплексов.
Четырехтяжевые параллельные квадруплексыхарактеризуются широким спектром углов закручивания (Рисунок 3.13) с двумя областями предпочтительных значений: узкой, соответствующей 21∘ , и более размытой, находящейся в пределах 27∘ –34∘ .
Планарность квартетов такихструктур также варьирует: в большинстве случаев квартеты немного отклоняются от плоскости (на приблизительно 0.5Å), хотя максимальные значения отклонений могут превышать 1Å. Найденное разнообразие значений параметровиллюстрирует спектр вариаций конформационного полиморфизма четырехтяжевых параллельных квадруплексов, в образование которых при межмолекулярной ассоциации не вносится никаких структурных ограничений.80707060605050404030302020101000010 20 30угол, град00.511.5планарность,ÅРисунок 3.13: Схема пространственной организации и геометрическиехарактеристики структур с четырехтяжевыми параллельнымиквадруплексами.118Одномолекулярные квадруплексы с топологией цепи (3+1)Состав группы:• 2JSK [259][43], 2JSQ [259][43], 186D [260][44], 2GKU[261] [45], 2HY9[262][46], 2JPZ[263] [47], 2JSL [259][43], 2JSM [259] - теломерная ДНК(человек,Tetrahymena)• 2F8U [264] – промотор белка BCL2 (человек)Такие квадруплексы имеют в своем составе две петли латерального и однупропеллерного типа, обращающую ход полинуклеотидного тяжа в обратнуюсторону.
От предыдущего типа квадруплексов этот отличается только наличием пропеллерной цепи. что сказывается на значениях угла закручивания (Рисунок 3.14). У паттерна распределения углов появляется дополнительное значение с максимумом 28∘ ±4∘ . Более того, характерные для квадруплексов с латеральными петлями значения углов закручивания в диапазоне 10∘ –20∘ сдвинутына 2∘ –4∘ в сторону больших значений. Квартеты квадруплексов типа ``кресло''жестко планарны – в них планарность фиксируется стэкинг-взаимодействиямис гетероциклическими основаниями латеральных петель.Структура типа 'кресло'Состав группы:• 148D[265], 1C32[266], 1C34[266] , 1C35[266], 1C38 [266], 1QDF[267],1QDH [267], 1RDE [268] – ДНК-аптамер к тромбину• 2KM3 [269] - теломерный повтор CTAGGG (человек)Структура типа ``кресло'' представляет собой мономолекулярный квадруплекс, соединенный тремя петлями латерального типа.
Это в достаточ119604035503040253020152010105000 10 20 30 40угол, град0 0.20.40.60.8 1 1.2планарность,ÅРисунок 3.14: Схема пространственной организации и геометрическиехарактеристики квадруплексов типа (3+1)ной степени уникальная структура, представленная лишь двумя молекулами:15-звенным ДНК-аптамером к тромбину (148D, 1C32, 1C34, 1C35, 1C38, 1QDF,1QDH, 1RDE) и 22-звенным олигонуклеотидом, образованным теломерным повтором CTAGGG (2KM3).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
