DNA分子结构


Contributor(s)

Written 2024-04-19 刘灵枫~Sheng Xiao
苏州精准医疗科技有限公司~ Brigham and Women's Hospital


Abstract

I 分子的一级结构:共价键和碱基

I-1 磷酸

I-2 糖

I-3 含氮碱基

II 分子的二级和三级结构-DNA的三维构象

II.1 二核苷酸

II.2 DNA分子

II.2.1 氢键:碱基配对

II.2.2 大沟和小沟

II.3 非B型 DNA

II.3.1 Z型DNA

II.3.2 十字架形DNA和发夹DNA

II.3.3 H型DNA或三链螺旋DNA

II.3.4 G4型DNA

III 分子的四级结构-染色质

IV 多样性

IV.1 DNA和线粒体

IV.2 DNA变性


Content

脱氧核糖核酸(DNA)是大多数生物的遗传信息(相反,某些病毒,称为逆转录病毒,使用核糖核酸作为遗传信息)。

- DNA可以在细胞世代中复制

- DNA可以翻译成蛋白质

- DNA可以在需要时进行修复

核糖核酸(RNAs)在另一章中进行了介绍(mRNA,r-RNA,t-RNA ...)

- DNA是由核苷酸(或单核苷酸)组成的聚合物。

- 核苷酸还具有其他功能:(能量载体:腺苷三磷酸,鸟苷三磷酸;细胞呼吸:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,黄素腺嘌呤二核苷酸;信号转导:环磷腺苷;辅酶:辅酶A,三磷酸尿苷;维生素:烟酰胺单核苷酸,维生素B2)。

使用蛋白质命名法,我们可以描述分子的一级,二级,三级和四级结构:

I 分子的一级结构:共价键和碱基

核苷由糖+含氮碱基组成。

核苷酸由磷酸+糖+含氮碱基组成。在DNA中,核苷酸是脱氧核糖核苷酸(在RNA中,核苷酸是核糖核苷酸)。

I-1磷酸

产生磷酸基团。


I-2糖:

脱氧核糖,为环状戊糖(5-碳糖)。注意:RNA中的糖是核糖。糖中的碳编号从1'到5'。含氮碱基的氮原子连接至C1'(糖苷键),而磷酸连接至C5'(酯键)以形成核苷酸。因此,核苷酸是:磷酸-C5'糖C1'-碱基。


I-3含氮碱基:

芳香杂环;有嘌呤和嘧啶类。

- 嘌呤:腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)。

- 嘧啶类:胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)(注意:胸腺嘧啶在RNA中被尿嘧啶(U)取代)。

注意:存在其他含氮碱基,特别是由上述衍生的甲基化碱基;碱基的甲基化具有功能性作用(见专案章节)。


词汇表:

- 核苷名称:DNA中的脱氧核糖核苷:脱氧腺苷,脱氧鸟苷,脱氧胞苷,脱氧胸苷(RNA中的核糖核苷:腺苷,鸟苷,胞苷,尿苷)。

- 核苷酸名称:DNA中的脱氧核糖核苷酸:脱氧腺苷酸,脱氧鸟苷酸,脱氧胞苷酸,脱氧胸苷酸(RNA中的核糖核苷酸:腺苷酸,鸟苷酸,胞苷酸,尿苷酸)。


II 分子的二级和三级结构-DNA的三维构象

II.1 二核苷酸

       由两个单核苷酸之间的磷酸二酯键形成二核苷酸。单核苷酸的磷酸(在其糖的C5')与前一个单核苷酸的糖的C3'相连。然后,从磷酸,5'糖(+碱基)和3'糖开始,再与第二个磷酸-5'糖连接,该3'糖可用于下一步。因此,分子的连接方向为5'-> 3'。多核苷酸是由单体通常沿5'-> 3'方向连续添加而成。分子的主链由一系列磷酸-糖(核苷酸n)-磷酸-糖(核苷酸n + 1)组成,依此类推,共价连接,而碱基在一旁。


II.2 DNA分子

      DNA由两个(“双链DNA”)右旋体(如螺钉;右旋)螺旋链或链(“双螺旋”)组成,绕轴绕成一个直径为20A°的双螺旋。两条链是反平行的(同义:它们的5'-> 3'方向相反)。聚合物的一般显示周期为3.4 A°(对应于2个碱基之间的距离),另一个周期为34 A°,对应于一个螺旋圈(也对应10个碱基对)。


II.2.1 氢键:碱基配对

(疏水性)碱基堆叠在内部,平面垂直于双螺旋的轴。外部(磷酸和糖)是亲水的。

一条链的碱基与另一条链的碱基之间的氢键将两条链连接在一起(图中的虚线)。

一条链上的嘌呤应与另一条链上的嘧啶连接。因此,嘌呤残基的数目等于嘧啶残基的数目。

A结合T(具有2个氢键)。

G结合C(具有3个氢键:更稳定的连接:5.5 kcal与3.5 kcal)。

注意:DNA中A的含量等于T的含量,而G中的含量等于C中的含量。

      这种严格的对应关系(A<-> T和G<-> C)使两条链互补。一条链是另一条链的模板,并且是相反的:此特性将允许精确复制(半保留复制:一条链-模板-是保留的,另一链是新合成的,与第二链一样,是保留的,允许另一链重新合成;请参阅专案)。


注意:

碱基配对中的氢键有时不同于上述的Watson和Crick模型,使用嘌呤的N7原子代替N1(Hoogsteen模型)。


II.2.2 大沟和小沟

双螺旋是一个相当稳定性且具有粘性的分子,其长度很长和直径较小。它具有一个大沟和一个小沟。

大沟深而宽,小沟窄而浅。

DNA-蛋白质相互作用是细胞生命中的主要/必要过程(转录激活或抑制,DNA复制和修复)。

蛋白质通过特异性结合在DNA凹槽底部结合:氢键和非特异性结合:范德华相互作用,广义的静电相互作用;蛋白质识别H键供体,H键受体,甲基(疏水性),后者仅在大沟中;大沟有4种可能的识别模式,小沟只有2种(请参见图示)。

- 有些蛋白质在其大沟中结合DNA,另一些在小沟中结合,也有些则需要与两者结合。


注意:

- 2条链称为“正”链和“负”链,或“正向”链和“反向”链。在给定的位置,其中一条链(两条链中的任何一条)携带编码序列,另一条链也携带编码序列的可能性不大(但并非不可能)。

- DNA在体内被电离,表现得像聚阴离子。

      如上所述的双螺旋是“B”型DNA;它是体内最常见的形式,但其他形式也存在于体内(见下文)或体外。“A”型与B型DNA类似,但与B型DNA相比,其含水程度较低,在体内未发现“A”型。

II.3 非B型DNA

      DNA是一个可移动,不停的运动,转圈,发生扭曲的分子。下列结构被证明具有功能性作用;另一方面,它们可能有利于DNA断裂以及进一步的缺失,扩增,重组和突变。

词汇表:

回文记:这些名字前后读都一样(例如“ DNA LAND”)。DNA用于回文:参见下文。

II.3.1 Z型DNA

- Z型是左旋体(左旋)双螺旋,主链呈锯齿形(不如B型DNA光滑)。仅观察到一个凹槽,类似于小沟,碱基对位于远离轴线的一侧。碱基(在B型DNA中靠近轴线形成大沟)位于外表面。磷酸比B型DNA中的更紧密。Z型DNA无法形成核小体。

- 高GC含量有利于Z构象。胞嘧啶甲基化以及体内存在的分子如精胺和亚精胺可以稳定Z构象。

- DNA序列可以从B型转化为Z型,反之亦然:Z型DNA是体内的一种瞬时形态。

- Z型DNA的形成发生在基因转录过程中,在激活的转录基因的启动子附近的转录起始位点。在转录过程中,RNA聚合酶的移动诱导了转录位点的上游负超螺旋和下游正超螺旋。上游负超螺旋有利于Z型DNA的形成;Z型DNA的功能是承受负超螺旋作用。在转录结束时,拓扑异构酶将DNA松弛回B构象。

- 某些蛋白质与Z型DNA结合,特别是双链RNA腺苷脱氨酶(ADAR1),一种与Z型DNA结合的核RNA编辑酶;该酶将 pre-mRNA中的腺嘌呤转化为肌苷。随后,核糖体将肌苷识别为鸟嘌呤,并且用该表观遗传修饰编码的蛋白质将是不同的(参见表观遗传学的章节)。

注意:

- Z 型DNA抗体存在于红斑狼疮和其他自身免疫性疾病中。

- 双链RNA(dsRNA)可以采用Z构象。

II.3.2 十字架形DNA和发夹DNA

- Holliday交叉(在重组过程中形成)是十字架形结构。聚嘌呤/聚嘧啶DNA片段的反向(或镜像)重复(回文)也可以通过链内配对形成十字形或发夹结构。

- 回文的AT富集重复序列在t(11; 22)(q23; q11)的断点处发现,这是唯一已知的周期性结构易位。

- 重组后,核酸酶结合并裂解Holliday交叉。其他已知的蛋白质,例如HMG蛋白质和MLL(更多信息,请参阅:MLL)也可以结合十字架形DNA。


II.3.3 H型DNA或三链DNA

- 聚嘌呤/聚嘧啶DNA片段的反向重复序列(回文)可以形成三重结构(三重螺旋)。形成一个三链加一个单链DNA。

- H型DNA可能在基因表达的功能调节以及RNAs上发挥作用(例如,抑制转录)。


II.3.4 G4型DNA

- G4 DNA或四链DNA:将双链富含GC的序列折叠到自身上,在4个鸟嘌呤(“G4”)之间形成Hoogsteen碱基配对,这是一种高度稳定的结构。常在基因启动子附近和端粒处发现。

- 在减数分裂和重组中的作用;可能是调控因子。

- RecQ家族解旋酶能够解开G4 DNA(例如BLM,Bloom综合征中基因突变(更多信息,请参阅:Bloom综合征))。


III 分子的四级结构-染色质

      DNA与蛋白质(组蛋白和非组蛋白)结合,形成染色质。整个DNA是酸性的(带负电荷的),并与碱性的组蛋白(带正电荷的)结合:参见染色质一章

在人类单倍体基因组中,有3 ×10 9个核苷酸对,代表约30000个基因分布在一个单倍体的23个染色体上。

IV多样性

IV.1 DNA和线粒体

另请参见线粒体遗传

- DNA存在于细胞核中,但在线粒体中也少量存在。

- 线粒体源于古细菌,古细菌与真核细胞为内共生。

- 它们的遗传密码不同于所谓的“通用”密码(UGA,AUA,AGA,AGG:分别为通用密码中终止密码子,异亮氨酸,精氨酸,精氨酸,在哺乳动物线粒体中色氨酸,甲硫氨酸,终止密码子,终止密码子 ,以及其他物种线粒体中的其他含义)。

- 一个给定的线粒体中DNA拷贝数量是可变的。

- 线粒体DNA是环状的,具有重链和轻链,没有内含子,没有任何非编码序列。

- 线粒体上的基因编码的蛋白质参与电子运输,核糖体RNAs(rRNAs)和转运RNAs(tRNAs)。

- 每条DNA链都被转录,然后剪切成mRNAs,也包括rRNAs和tRNAs。

注意:线粒体还使用从细胞质中导入的蛋白质(由细胞核编码);到目前为止,除了发生细胞凋亡的情况外,线粒体中的蛋白质不会输出到细胞质中。

IV.2 DNA变性:

      双螺旋在体外经高温,极端酸碱度和其他条件(尿素等)下会解旋。可以计算出熔点;由于A /T中只有2个氢键,而G/C中有3个氢键,因此结合更稳定,这是所研究样品的A/T与G/C比例的特征。变性后,DNA的物理性质会发生变化;例如增色效应:变性的DNA比双链DNA在260 nm处的光吸收更高。光吸收也随A/T与G/C的比例而变化:富含A/T的样品比富含G/C的样品的吸光率更高。

      DNA变性是众所周知的,因为:1-它可以测量A/T与G/C含量;2-它是原位杂交技术的基础(请参阅遗传学方法)。


Citation

刘灵枫~Sheng Xiao

Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology 2024-04-19

DNA分子结构

Online version: http://atlasgeneticsoncology.org/teaching/209214/dna