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左旋DNA Z-DNA

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左旋 DNA 的发现是近年来分子遗传学的重大发现之一。 1972 Pohl 等发现人工合成的嘌呤与嘧啶相间排列的多聚核苷酸顺序( GCGCGC )在高盐的条件下,旋光性会发生改变。接着王惠君( Wang A.H.J )和 A.Rich 对六聚体 d CGCGCG )单晶作了分辩率达 0.09nm X- 衍射分析,提出了 Z-DNA 模型。

 

Z-DNA 的结构特点:

 

(1) 糖磷骨架量“之”字形( Zigzag )走向。在 Z-DNA C 和核糖以反式连接,而 G 和核糖以顺式连接,由于 G C 的交替排列,随着顺式,反式构象也交替排列,使主链 P-G-P 的行经与转轴平行,而 P-C-P 的行经与转轴垂直(图 9-19 )而呈“之”字形。

 

(2) 左旋。因 G 的糖苷键呈顺式,不仅使旋转方向发生改变。而且使 G 残基位于分子表面

 

(3) 分子外形呈波形。这是由于碱基对向螺旋的外表面前移,中轴不再像 B-DNA 位于碱基对,而移向小沟。

 

(4) C 的糖环 C2 ’为内式( endo ),碱基为反式( anti ),转糖环转离小沟,而 G 的糖环 C3 ’为内式( endo ),碱基为顺式,使糖环弯向小沟。胞嘧啶的 C5 和鸟嘌呤的 N7 C8 原子填满了大沟,并向表面,使大沟平线,而小沟窄而深。什么是“内式”和“外式”呢?戊糖的环并不是一个平面, C1 ’-O-C4 一般在一个平面上, C2 C3 常偏离平面,约在 0.05 0.06nm C5’ 是在平面的上方,当 C2 C3 ’与 C5 ’同向时称内式构象,当与 C5 ’反向时,称为外式构象。什么是顺式 (Syn) 和反式呢?嘌呤或嘧啶通过糖苷键和戊糖连接,它们的平面几乎和戊糖平面垂直,并可以糖苷键为轴旋转。 Pu C4 N9 之间的键在戊糖平面上的投影和戊糖 C1 ’-O 之间的键形成夹角。同样 Py C2 -N1 的投影也可和戊糖 C1 ’-O 之间形成夹角,此夹角就称为扭转角。当扭转角θ =0 °± 90 °时称为顺式,θ =180 °± 90 ° .

 

Z-DNA 存在的条件

 

(1) 在高盐的条件下: NaCl 的浓度超过 2mol/L MgCl2 的浓度要超过 0.7mol/L

 

2 )嘌呤 - 嘧啶相间排列。现在认为在适当的离子存在条件下,任何不少于六个 bp 的嘌呤 - 嘧啶交替排列顺序都能形成 Z-DNA

 

3 )在活细胞中如果胞嘧啶酸被甲基化的话( m5 C )则无需嘌呤 - 嘧啶相间排列,在生理盐水的浓度下就可产生 Z 型。 1981 Behe 发现此是由于甲基( m )伸向大沟含水的环境中,周围局部形成憎水区,有利于 Z-DNA 的稳定。用 Z-DNA 抗体实验表明果蝇的 X 染体中就存在 Z-DNA

 

在体内有多胺化合物的存在,如精胺和亚胺和亚精胺,它们和阳离子一样,可和磷酸基因结合,减少负电荷的排斥作用,使 B-DNA 转变成 Z-DNA 。某些蛋白质如 Z-DNA 结合蛋白带有正电荷,与 DNA 结合可使 DNA 周围形成局部的高盐浓度和微环境,这也是在活细胞中形成 Z-DNA 的原因之一。在体内负超螺旋的存在也是 Z-DNA 形成的条件之一。抗体结合实验表明,将 poly dG-dC )插入到质粒中,当质粒处于松驰状态时不能和 Z-DNA 抗体结合。

生物学意义

 

(1) 可能提供某些调节蛋白的识别。啮齿类动物病毒的复制起始部位有 d GC )有交替顺序的存在;( 2 )在 SV40 的增强子中有三段 8bp Z-DNA 存在,若将其中 2 Z-DNA 片段除去,再接到 b - 珠蛋白基因上表达,表明增强子失去活性。当将野生型 SV40 Z-DNA 中“ T ”和“ C ”转换成“ C ”、“ T ”时,不影响突变体的活性,但嘧啶转换成嘌呤时,由于破坏了嘌呤 - 嘧啶的相间排列,而使 Z-DNA 难以形成,从而 SV40 也失活。另一个例子是原生动物纤毛虫,它有大、小两个核,大核有转录活性,小核和繁殖有关。大、小两核的 DNA 浓度相同。用 B-DNA 抗体以萤光标记后,显示和大、小两核都能结合,而 Z-DNA 抗体以萤光标记后,显示仅和大核 DNA 结合,而不和小核的 DNA 结合,说明大核 DNA Z-DNA 的存在,可能和转录有关。

 

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