Различные формы организации двухцепочечной ДНК

Пионерская работа Уилкинса и Франклин показала, что молекулы ДНК могут давать различную дифракционную картину в рентгеновских лучах в зависимости от содержания воды и солей. Модель, предложенная Уотсоном и Криком, соответствовала значениям параметров структуры, полученным на основе рентгенограммы так называемой В-формы ДНК, изображенной на рис. 4.9. Модель В-формы ДНК, представленная на рис. 4.12, характеризуется плоскопараллельным расположением пар нуклеотидных оснований внутри двойной спирали. Плоскости оснований почти перпендикулярны оси спирали и отстоят друг от друга на 3,4 А. Этой повторяющейся единице соответствуют яркие меридиональные дуги в верхней и нижней частях рентгенограммы, изображенной на рис. 4.9. Диаметр спирали почти в точности равен 20 А, а соседние пары нуклеотидных оснований повернуты друг относительно друга на 36°. В результате на один виток спирали приходится десять пар оснований. На рисунке изображена спираль с правым направлением вращения. Рентгенограмма ДНК, однако, не дает информации, достаточной для того, чтобы судить, является спираль правой или левой. При построении своей модели Уотсон и Крик выбрали направление вращения произвольно.

Все возможное разнообразие структур двухцепочечных молекул ДНК стало ясным относительно недавно в результате экспериментов по кристаллизации гомогенных двухцепочечных олигомеров ДНК, получаемых посредством химического синтеза. Дифракционные рентгеновские картины, полученные на таких кристаллах ДНК, более четки, чем получаемые на природной ДНК, и позволяют определить с большой точностью положения отдельных атомов. Эти исследования обнаружили, что как право-, так и левозакрученная двухцепочечная спираль ДНК может существовать в нескольких модификациях, характеризуемых различными значениями параметров (табл. 4.2). Тип спирали определяется свойствами растворителя и последовательностью нуклеотидов.

Самокомплементарный тетрамер ДНК типа CGCG (5'-конец всегда пишется слева) образует при кристаллизации левозакрученную двухцепочечную структуру, получившую название Z-ДНК из-за зигзагообразного характера фосфодиэфирного каркаса. Напротив, самокомплемен-

4.Таблица 4.2. Структурные формы ДНК

	Форма
	А	В	С	Z
Спираль	Правая	Правая	Правая	Левая
Число пар оснований в одном витке спирали
Угол между соседними парами оснований
Расстояние между соседними парами оснований
Угол наклона оснований к оси спирали
Диаметр спирали (приблизительно)

Рис. 4.16. Пространственные модели левозакрученной Z-формы ДНК и правозакрученной B-формы. (Prof. Alexander Rich, Massachusetts Institute of Technology.)

4. Природа генетического материала 115

Рис. 4.17. Политенные хромосомы дрозофилы, обработанные флуоресцентными антителами, связывающимися с Z-ДНК. А. Поперечная исчерченность политенных хромосом на фотографии, сделанной в фазово-контрастном микроскопе. Б. Флуоресцентная микрофотография того же препарата, на которой светлые полосы указывают локализацию Z-ДНК. (Prof. Alexander Rich, Massachusetts Institute of Technology.)

тарный додекамер CGCGAATTCGCG кристаллизуется в форме правозакрученной двухцепочечной спирали В-формы, хотя этот додекамер содержит на обоих своих концах последовательность CGCG, которая сама по себе кристаллизуется в Z-форме. Эти две формы ДНК изображены для сравнения рядом на рис. 4.16.

Исследования структуры полимера (CG)_n в растворе показали, что эта молекула может существовать в одной из двух альтернативных форм, а именно в правой В-форме или левой Z-форме. Эти две формы переходят друг в друга при изменении ионной силы раствора или катионов, нейтрализующих отрицательный заряд на фосфодиэфирном каркасе. Природные молекулы ДНК в основном существуют в правой В-форме, если они не содержат последовательностей типа (GC)_n. Однако если такие последовательности входят в состав ДНК, то эти участки при соответствующих условиях могут переходить в Z-форму. Возможность такого перехода указывает на то, что две цепи в двойной спирали ДНК находятся в динамическом состоянии и могут раскручиваться друг относительно друга, переходя из правой формы в левую и наоборот. Ясно, что молекулы ДНК для этого должны быть довольно лабильны и допускать конформационные превращения. Биологические следствия такой лабильности структуры ДНК пока не вполне понятны. Специфичные к Z-ДНК антитела реагируют с определенными участками гигантских хромосом клеток слюнных желез дрозофилы, что свидетельствует о том, что ДНК в хромосомах существует в обеих формах (рис. 4.17).

116 Организация и передача генетического материала