Z-ADN

Z-DNA  : una de las muchas estructuras posibles de la doble hélice del ADN , es una doble hélice levógira (a diferencia de la levógira, que es la forma más común de B-DNA ). Z-DNA es una de las tres estructuras de doble hélice de ADN biológicamente activas, junto con A-DNA y B-DNA, aunque aún no se han determinado sus funciones exactas [1] .

Historia del estudio

El ADN zurdo fue descubierto por primera vez por Robert Wells y sus colegas mientras estudiaban un polímero formado por repeticiones de inosina - citosina [2] . Observaron un dicroísmo circular "inverso" en dicho ADN, del cual concluyeron correctamente que sus cadenas se enrollan entre sí en dirección a la izquierda. Posteriormente, se publicó la estructura cristalina de Z-DNA, donde el análisis de difracción de rayos X reveló que se trata del primer fragmento de ADN monocristalino ( hexámero de ADN autocomplementario d(CG) 3 ). Se encontró que Z-DNA es una doble hélice de ADN levógira de dos hebras antiparalelas conectadas por enlaces entre pares de bases nitrogenadas . Este trabajo fue realizado por Andrew Wang  , Alexander Rich y sus colaboradores en el Instituto Tecnológico de Massachusetts [3] .

En 1970, se demostró que la forma B más común de ADN se puede convertir a la forma Z. En este experimento, se demostró que el dicroísmo circular del polímero (dG-dC) en rayos ultravioleta en una solución de NaCl 4M cambió exactamente al contrario [4] . El hecho de que durante esta transición la forma B pasara a la forma Z fue confirmado por los resultados de la espectroscopia Raman [5] . La cristalización de la unión B- y Z-DNA realizada en 2005 [6] ha proporcionado una mejor comprensión del papel potencial que desempeña el Z-DNA en la célula . Dondequiera que haya segmentos de formas Z-DNA, también debe haber uniones B-Z en sus extremos, que unen la forma Z con la forma B que se encuentra en el resto del genoma .

En 2007, la versión de ARN de Z-DNA se describió como una forma transformada de la doble hélice de ARN-A dextrógira en una hélice dextrógira [7] . Sin embargo, la transición de A-RNA a Z-RNA ya se describió en 1984 [8] .

Estructura

Z-DNA difiere significativamente de las formas diestras. Z-DNA es zurdo y tiene una estructura primaria que se repite cada 2 pares de bases. Hay 12 pares de bases por vuelta de la hélice. A diferencia de A- y B-DNA, en Z-DNA el surco principal es poco distinguible, el surco menor es estrecho y profundo [9] . En general, la estructura del Z-DNA es energéticamente desfavorable, aunque ciertas condiciones pueden activar su formación, tales como: alternancia de secuencias purina - pirimidina (especialmente poli(dGC) 2 ), superenrollamiento negativo del ADN , alto contenido en sales y algunos cationes ( todo a temperatura fisiológica  - 37 °C y pH 7,3-7,4). Z-DNA puede combinarse con B-DNA en una estructura que conduce al desplazamiento de pares de bases (ver Fig.) [10] .

Otra característica de Z-DNA es la alternancia de conformaciones de residuos de nucleótidos . La desoxicitidina está en la conformación estándar: el azúcar está en la conformación C2'-endo (ver figura), y la base  está en la conformación anti- (es decir, la base está girada en la dirección opuesta al grupo hidroxilo en el quinto átomo de carbono ; las bases en la cadena de polinucleótidos están en esta posición [11] ). En la desoxiguanosina , el azúcar está en la conformación C3'-endo , y la base tiene una conformación sin extremadamente atípica [12] .

El apilamiento de bases en Z-DNA tiene nuevas propiedades que son exclusivas de esta forma. Por lo tanto, las interacciones de apilamiento existen solo entre residuos de citosina de cadenas opuestas, mientras que los residuos de guanina no interactúan entre sí en absoluto [1] .

Los fosfatos en Z-DNA no son equivalentes entre sí y están a diferentes distancias del eje de la hélice; para los nucleótidos de guanina esta distancia es de 0,62 nm y para los nucleótidos de citosina es de 0,76 nm. Al mismo tiempo, los azúcares vecinos “miran” en direcciones opuestas, y debido a esto, la línea que conecta sucesivamente los átomos de fósforo en la cadena se convierte en zigzag (de ahí el nombre Z-DNA) [1] .

La estructura de Z-DNA es difícil de estudiar porque apenas existe en una forma estable de doble hélice. Por el contrario, la hélice Z-DNA de mano izquierda es una estructura temporal que aparece como resultado de la actividad biológica y desaparece rápidamente [13] .

Transición de B-DNA a Z-DNA

Como ya se mencionó, las formas B y Z pueden pasar entre sí. Esto ocurre cuando cambia la fuerza iónica de la solución o la concentración de cationes que neutralizan la carga negativa del esqueleto de fosfodiéster. Al mismo tiempo, no hay necesidad de separación de cadenas para la transición, se inicia con la ruptura de los enlaces de hidrógeno en varios pares de bases, después de lo cual la guanina se fija en la conformación sin , los enlaces de hidrógeno se restauran y las bases nuevamente. formar pares Watson-Crick . El área de transición se mueve en espiral en forma de bucle [1] .

Predicción de la estructura Z-DNA

Actualmente es posible predecir una secuencia plausible de ADN en forma de Z-DNA. Un algoritmo para predecir la propensión del ADN a reorganizarse de forma B a forma Z, ZHunt , fue escrito en 1984 por el Dr. P. Shing Ho del Instituto Tecnológico de Massachusetts [14] . Más tarde, este algoritmo fue desarrollado por Tracey Camp y colegas para determinar los sitios de formación de Z-DNA en todo el genoma [15] .

El algoritmo ZHunt está disponible en Z-Hunt en línea .

Importancia biológica

Se ha encontrado Z-DNA en representantes de los tres dominios de la vida: arqueas (en particular, haloarchaea [16] ), bacterias y eucariotas [9] . Hasta el momento, no se han determinado funciones biológicas claras de Z-DNA, sin embargo, presumiblemente está involucrado en la regulación de la expresión génica a nivel de transcripción . De hecho, se sabe con certeza que la secuencia dm 5 -dG, que en condiciones fisiológicas se encuentra en forma de Z-DNA, está asociada con la regulación de la expresión génica en eucariotas. Esta regulación puede estar mediada por el superenrollamiento , la unión a proteínas específicas del Z-DNA , ciertos cationes como la espermidina y la metilación de la desoxicitidina [17] .

La suposición de que Z-DNA proporciona superenrollamiento de ADN durante la transcripción [6] [18] está respaldada por el hecho de que el potencial para la formación de formas Z se encuentra en los sitios involucrados en la transcripción activa. Se demostró una relación entre los sitios de formación de Z-DNA en los genes del cromosoma humano 22 y los sitios de inicio de la transcripción conocidos para ellos [15] .

El Z-DNA se forma después del inicio de la transcripción. El primer dominio que se une al Z-DNA y tiene una alta afinidad por él se encontró en la enzima ADAR1 (adenosina desaminasa específica de ARN) [19] [20] (este dominio se denominó dominio Z-alfa ). Estudios cristalográficos y de resonancia magnética nuclear han confirmado que este dominio se une a Z-DNA independientemente de su secuencia de nucleótidos [21] [22] [23] . Se han encontrado regiones similares en algunas otras proteínas homólogas a ADAR1 [20] . La identificación del dominio Z-alfa formó la base para la caracterización de Z-RNA y la asociación de B- con Z-DNA. Los estudios han demostrado que el dominio ADAR1, que se une a Z-DNA, permite que esta enzima se localice en sitios de transcripción activos, donde realiza su función: cambia la secuencia del ARN recién formado [24] [25] .

En 2003, el biofísico del MIT Alexander Rich observó que el factor de virulencia del poxvirus , llamado E3L, tiene un sitio relacionado con Z-alfa similar a la proteína de unión al Z-ADN de los mamíferos [26] [27] . En 2005, Rich y sus colegas exploraron las implicaciones de E3L para el poxvirus. Cuando se expresan genes, E3L provoca un aumento en la transcripción de varios genes de la célula huésped de 5 a 10 veces, y estos genes bloquean la capacidad de autodestrucción de las células ( apoptosis ) como reacción protectora contra la infección .

Rich sugirió que Z-DNA es esencial para la transcripción y E3L estabiliza Z-DNA, aumentando así la expresión de genes antiapoptóticos. También planteó la idea de que las moléculas pequeñas pueden unirse a E3L, evitando que esta proteína se una a Z-DNA y, en última instancia, interferir con la expresión de genes antiapoptóticos. Esto podría usarse potencialmente como la base de un método de protección contra la viruela , causada por los poxvirus.

Con la ayuda de anticuerpos anti-Z-DNA , esta forma de ADN se ha encontrado en las regiones interdisco de los cromosomas politénicos . El hecho es que solo B-DNA tiene nucleosomas , y la transición a la forma Z destruye la estructura del nucleosoma y, por lo tanto, la cromatina que consiste en nucleosomas . En este sentido, se supone que la forma Z puede desempeñar algún tipo de función reguladora, especialmente porque la transición B → Z es reversible [1] .

Se ha establecido que el efecto tóxico del bromuro de etidio sobre los tripanosomas está asociado con la transición de su ADN cinetoplasto a la forma Z. Este efecto se debe a la intercalación EtBr en el ADN, por lo que el ADN pierde su estructura nativa, se desenrolla, se transforma en la forma Z y, debido a esto, se vuelve incapaz de replicarse [28] .

Comparación de los parámetros geométricos de algunas formas de ADN

Notas

1. ↑ 1 2 3 4 5 Konichev, Sevastyanova, 2012 , pág. 93.
2. ↑ Mitsui et al. Estudios físicos y enzimáticos sobre poli d (IC)-poli d (IC), un ADN inusual de doble hélice  (inglés)  // Nature (Londres): revista. - 1970. - vol. 228 , núm. 5277 . - P. 1166-1169 . —PMID 4321098 .
3. ↑ Wang AHJ, Quigley GJ, Kolpak FJ, Crawford JL, van Boom JH, Van der Marel G., Rich A. Estructura molecular de un fragmento de ADN de doble hélice levógira a resolución atómica  (ing.)  // Nature (Londres) : diario. - 1979. - vol. 282 , núm. 5740 . - Pág. 680-686 . -doi : 10.1038/ 282680a0 . — . —PMID 514347 .
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11. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , pág. 82.
12. ↑ Konichev, Sevastyanova, 2012 , pág. 92.
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diccionarios y enciclopedias	Britannica (en línea)