Базовая пара - Base pair

Живописание из аденина - тимин Уотсона-Крика пар оснований

Пар оснований ( п.о. ) является основной единицей двухцепочечных нуклеиновых кислот , состоящих из двух нуклеотидных связанных друг с другом посредством водородных связей . Они образуют строительные блоки двойной спирали ДНК и способствуют складчатой ​​структуре как ДНК, так и РНК . Продиктованный специфическими водородные связи узоров, «Уотсон-Крик» пар оснований ( гуанин - цитозин и аденин - тимин ) позволяет спираль ДНК , чтобы поддерживать регулярную спиральную структуру, которая тонко зависит от его нуклеотидной последовательности . Комплементарный характер этой основы-парной структура обеспечивает избыточную копию генетической информации , закодированной в пределах каждой нити ДНК. Регулярная структура и избыточность данных, обеспечиваемая двойной спиралью ДНК, делают ДНК хорошо подходящей для хранения генетической информации, в то время как спаривание оснований между ДНК и поступающими нуклеотидами обеспечивает механизм, посредством которого ДНК-полимераза реплицирует ДНК, а РНК-полимераза транскрибирует ДНК в РНК. Многие ДНК-связывающие белки могут распознавать определенные паттерны спаривания оснований, которые идентифицируют определенные регуляторные области генов.

Внутримолекулярные пары оснований могут встречаться в одноцепочечных нуклеиновых кислотах. Это особенно важно для молекул РНК (например, РНК -переносчика), где пары оснований Уотсона-Крика (гуанин-цитозин и аденин- урацил ) допускают образование коротких двухцепочечных спиралей и широкий спектр взаимодействий, не связанных с Ватсоном-Криком. (например, G – U или A – A) позволяют РНК складываться в широкий диапазон конкретных трехмерных структур . Кроме того, спаривание оснований между транспортной РНК (тРНК) и информационной РНК (мРНК) формирует основу для событий молекулярного распознавания , в результате которых нуклеотидная последовательность мРНК транслируется в аминокислотную последовательность белков посредством генетического кода .

Размер отдельного гена или всего генома организма часто измеряется парами оснований, потому что ДНК обычно двухцепочечная. Следовательно, общее количество пар оснований равно количеству нуклеотидов в одной из цепей (за исключением некодирующих одноцепочечных участков теломер ). Гаплоидный геном человеческого (23 хромосомы ), по оценкам, около 3,2 млрд оснований в длину и содержит 20,000-25,000 различных белок-кодирующих генов. Килобаза (кб) является единицей измерения в области молекулярной биологии , равный 1000 пары оснований ДНК или РНК. Общее количество пар оснований ДНК на Земле оценивается в 5,0 × 10 37 при весе 50 миллиардов тонн . Для сравнения, общая масса из биосферы , по оценкам, быть столько , сколько 4  TTC (триллион тонн углерода ).

Водородная связь и стабильность

Базовая пара GC.svg
Базовая пара AT.svg
Вверху - пара оснований GC с тремя водородными связями . Внизу, пара оснований AT с двумя водородными связями. Нековалентные водородные связи между основаниями показаны пунктирными линиями. Волнистые линии обозначают соединение с пентозным сахаром и указывают в направлении малой бороздки.

Водородная связь - это химическое взаимодействие, лежащее в основе правил образования пар оснований, описанных выше. Соответствующее геометрическое соответствие доноров и акцепторов водородных связей позволяет стабильно образовываться только «правильным» парам. ДНК с высоким содержанием GC более стабильна, чем ДНК с низким содержанием GC. Но, вопреки распространенному мнению, водородные связи существенно не стабилизируют ДНК; стабилизация происходит в основном за счет стэкинг-взаимодействий .

Более крупные азотистые основания , аденин и гуанин, являются членами класса двойных химических структур, называемых пуринами ; более мелкие азотистые основания, цитозин и тимин (и урацил), являются членами класса однокольцевых химических структур, называемых пиримидинами . Пурины комплементарны только пиримидинам: пары пиримидин-пиримидин энергетически невыгодны, потому что молекулы расположены слишком далеко друг от друга для установления водородной связи; Пурин-пуриновые пары энергетически невыгодны, потому что молекулы расположены слишком близко, что приводит к перекрыванию отталкивания. Спаривание пурин-пиримидиновых оснований AT или GC или UA (в РНК) приводит к правильной дуплексной структуре. Единственными другими парами пурин-пиримидин будут AC, GT и UG (в РНК); эти спаривания не соответствуют друг другу, потому что структуры доноров и акцепторов водорода не совпадают. Спаривание GU с двумя водородными связями действительно довольно часто встречается в РНК (см. Пара оснований колебания ).

Парные молекулы ДНК и РНК сравнительно стабильны при комнатной температуре, но две нуклеотидные нити будут разделяться выше точки плавления, которая определяется длиной молекул, степенью неправильного спаривания (если таковая имеется) и содержанием GC. Более высокое содержание GC приводит к более высоким температурам плавления; Поэтому неудивительно, что геномы экстремофильных организмов, таких как Thermus thermophilus , особенно богаты GC. Напротив, области генома, которые необходимо часто разделять - например, промоторные области для часто транскрибируемых генов - сравнительно бедны GC (например, см. Вставку TATA ). При разработке праймеров для реакций ПЦР необходимо также учитывать содержание ГХ и температуру плавления .

Примеры

Следующие ниже последовательности ДНК иллюстрируют парные двухцепочечные структуры. По соглашению, верхняя нить пишется от конца 5 футов до конца 3 футов ; таким образом, нижняя нить написана от 3 'до 5'.

Последовательность ДНК с парными основаниями:
ATCGATTGAGCTCTAGCG
TAGCTAACTCGAGATCGC
Соответствующая последовательность РНК, в которой урацил заменен на тимин в цепи РНК:
AUCGAUUGAGCUCUAGCG
UAGCUAACUCGAGAUCGC

Базовые аналоги и интеркаляторы

Химические аналоги нуклеотидов могут занять место собственных нуклеотидов и установить не-каноническое спаривание оснований, что приводит к ошибкам ( в основном точечные мутации ) в ДНК репликации и транскрипции ДНК . Это связано с их изостерической химией. Одним из распространенных аналогов мутагенных оснований является 5-бромурацил , который напоминает тимин, но может образовывать пары оснований с гуанином в его енольной форме.

Другие химические вещества, известные как интеркаляторы ДНК , вписываются в промежуток между соседними основаниями на одной цепи и вызывают мутации сдвига рамки считывания , «маскируясь» под основу, заставляя механизм репликации ДНК пропускать или вставлять дополнительные нуклеотиды в интеркалированный сайт. Большинство интеркаляторов представляют собой крупные полиароматические соединения, известные или предполагаемые канцерогены . Примеры включают бромид этидия и акридин .

Неестественная пара оснований (UBP)

Неестественная пара оснований (UBP) - это разработанная субъединица (или нуклеиновое основание ) ДНК, которая создается в лаборатории и не встречается в природе. ДНК - последовательности были описаны , которые используют вновь созданные нуклеотидных для образования третьей пары оснований, в дополнение к двум парам оснований в природе, АТ ( аденин - тимин ) и ГХ ( гуанин - цитозин ). Несколько исследовательских групп искали третью пару оснований для ДНК, в том числе группы под руководством Стивена А. Беннера , Филиппа Марлиера , Флойда Э. Ромесберга и Ичиро Хирао . Сообщалось о некоторых новых парах оснований, основанных на альтернативных водородных связях, гидрофобных взаимодействиях и координации металлов.

В 1989 году Стивен Беннер (тогда работавший в Швейцарском федеральном технологическом институте в Цюрихе) и его команда возглавили разработку модифицированных форм цитозина и гуанина в молекулах ДНК in vitro . Нуклеотиды, кодирующие РНК и белки, были успешно реплицированы in vitro . С тех пор команда Беннера пытается спроектировать ячейки, которые могут создавать иностранные базы с нуля, устраняя необходимость в сырье.

В 2002 году группа Ичиро Хирао в Японии разработала неестественную пару оснований между 2-амино-8- (2-тиенил) пурином (ами) и пиридин-2-оном (y), которая участвует в транскрипции и трансляции для сайт-специфичных включение в белки нестандартных аминокислот. В 2006 году они создали 7- (2-тиенил) имидазо [4,5-b] пиридин (Ds) и пиррол-2-карбальдегид (Pa) в качестве третьей пары оснований для репликации и транскрипции. Впоследствии Ds и 4- [3- (6-аминогексанамидо) -1-пропинил] -2-нитропиррол (Px) были обнаружены как высокоточная пара в ПЦР-амплификации. В 2013 году они применили пару Ds-Px для создания ДНК-аптамеров с помощью селекции in vitro (SELEX) и продемонстрировали, что расширение генетического алфавита значительно увеличивает сродство ДНК-аптамеров к целевым белкам.

В 2012 году группа американских ученых во главе с Флойдом Ромесбергом, химическим биологом из Исследовательского института Скриппса в Сан-Диего, Калифорния, опубликовала, что его команда разработала неестественную пару оснований (UBP). Два новых искусственных нуклеотида или пара неестественных оснований (UBP) были названы d5SICS и dNaM . С технической точки зрения , эти искусственные нуклеотиды, несущие гидрофобные азотистые основания , содержат два слитых ароматических кольца, которые образуют комплекс (d5SICS – dNaM) или пару оснований в ДНК. Его команда разработала различные шаблоны in vitro или «пробирки», содержащие неестественную пару оснований, и они подтвердили, что они эффективно реплицируются с высокой точностью практически во всех контекстах последовательностей с использованием современных стандартных методов in vitro , а именно ПЦР-амплификации ДНК и ПЦР. -основные приложения. Их результаты показывают, что для приложений на основе ПЦР и ПЦР пара неестественных оснований d5SICS – dNaM функционально эквивалентна естественной паре оснований, и в сочетании с двумя другими естественными парами оснований, используемыми всеми организмами, A – T и G – C. , они представляют собой полностью функциональный и расширенный шестибуквенный «генетический алфавит».

В 2014 году та же команда из Исследовательского института Скриппса сообщила, что они синтезировали отрезок кольцевой ДНК, известный как плазмида, содержащая естественные пары оснований TA и CG, вместе с самой эффективной лабораторией UBP, разработанной Ромесбергом, и вставили ее в клетки общей бактерии. E. coli, которая успешно воспроизвела неестественные пары оснований в нескольких поколениях. Трансфекция не препятствует росту E.coli , клетка и не показала никаких признаков потери своих неестественные пар оснований для его естественной репарации ДНК механизмов. Это первый известный пример передачи живым организмом расширенного генетического кода последующим поколениям. Ромесберг сказал, что он и его коллеги создали 300 вариантов для уточнения конструкции нуклеотидов, которые будут достаточно стабильными и будут воспроизводиться так же легко, как и естественные, при делении клеток. Это было частично достигнуто путем добавления поддерживающего гена водорослей, который экспрессирует переносчик нуклеотидтрифосфата, который эффективно импортирует трифосфаты как d5SICSTP, так и dNaMTP в бактерии E. coli . Затем естественные пути репликации бактерий используют их для точной репликации плазмиды, содержащей d5SICS-dNaM. Другие исследователи были удивлены тем, что бактерии воспроизвели эти субъединицы ДНК, созданные человеком.

Успешное включение третьей пары оснований является значительным прорывом в достижении цели значительного увеличения числа аминокислот, которые могут кодироваться ДНК, с существующих 20 аминокислот до теоретически возможных 172, тем самым расширяя потенциал живых организмов до производить новые белки . Искусственные нити ДНК пока ничего не кодируют, но ученые предполагают, что они могут быть разработаны для производства новых белков, которые могут иметь промышленное или фармацевтическое применение. Эксперты говорят, что синтетическая ДНК, включающая неестественную пару оснований, увеличивает возможность существования форм жизни, основанных на другом коде ДНК.

Неканоническая пара оснований

Колебание базовых пар
Сравнение пар оснований Хугстина и Уотсона – Крика.

В дополнение к каноническому спариванию, некоторые условия могут также благоприятствовать спариванию оснований с альтернативной ориентацией оснований, а также количеством и геометрией водородных связей. Эти пары сопровождаются изменением локальной формы позвоночника.

Наиболее распространенным из них является колебание пар оснований, которое происходит между тРНК и мРНК в позиции третьего основания многих кодонов во время транскрипции и во время зарядки тРНК некоторыми тРНК-синтетазами . Они также наблюдались во вторичных структурах некоторых последовательностей РНК.

Кроме того, спаривание оснований Хугстина (обычно обозначаемое как A • U / T и G • C) может существовать в некоторых последовательностях ДНК (например, динуклеотидах CA и TA) в динамическом равновесии со стандартным спариванием Уотсона – Крика. Они также наблюдались в некоторых комплексах белок-ДНК.

Помимо этих альтернативных пар оснований, во вторичной и третичной структуре РНК наблюдается широкий диапазон водородных связей основание-основание. Эти связи часто необходимы для точной сложной формы РНК, а также для ее связывания с партнерами по взаимодействию.

Измерения длины

Для описания длины молекулы D / R NA обычно используются следующие сокращения :

  • bp = пара (и) оснований - один bp соответствует приблизительно 3,4 Å (340 пм ) длины вдоль цепи и приблизительно 618 или 643 дальтон для ДНК и РНК соответственно.
  • kb (= kbp) = килограмм пар оснований = 1000 bp
  • Mb (= Mbp) = мега пар оснований = 1000000 пар оснований
  • Gb = гигабайтные пары оснований = 1000000000 пар оснований.

Для одноцепочечной ДНК / РНК используются единицы нуклеотидов - сокращенно nt (или knt, Mnt, Gnt), поскольку они не спарены. Чтобы различать единицы компьютерной памяти и базы, для пар оснований можно использовать kbp, Mbp, Gbp и т. Д.

Сантиморган также часто используется для обозначения расстояния вдоль хромосомы, но число пар оснований , что соответствует варьирует в широких пределах. В геноме человека сентиморган составляет около 1 миллиона пар оснований.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Уотсон Дж. Д., Бейкер Т. А., Белл С. П., Ганн А., Левин М., Лосик Р. (2004). Молекулярная биология гена (5-е изд.). Пирсон Бенджамин Каммингс: CSHL Press. (См. Особенно главы 6 и 9)
  • Sigel A, Sigel H, Sigel RK, ред. (2012). Взаимодействие между ионами металлов и нуклеиновыми кислотами . Ионы металлов в науках о жизни. 10 . Springer. DOI : 10.1007 / 978-94-007-2172-2 . ISBN 978-9-4007-2171-5. S2CID  92951134 .
  • Умный Г. Х., Шионоя М. (2012). «Глава 10. Альтернативное спаривание оснований ДНК через координацию металлов». Взаимодействие между ионами металлов и нуклеиновыми кислотами . Ионы металлов в науках о жизни. 10 . С. 269–294. DOI : 10.1007 / 978-94-007-2172-2_10 . ISBN 978-94-007-2171-5. PMID  22210343 .
  • Меггер Д.А., Меггер Н., Мюллер Дж. (2012). «Глава 11. Металл-опосредованные пары оснований в нуклеиновых кислотах с пурином и нуклеозидами, производными пиримидина». Взаимодействие между ионами металлов и нуклеиновыми кислотами . Ионы металлов в науках о жизни. 10 . С. 295–317. DOI : 10.1007 / 978-94-007-2172-2_11 . ISBN 978-94-007-2171-5. PMID  22210344 .

внешние ссылки

  • DAN - веб-версия программы EMBOSS для расчета температур плавления.