Третична структура на нуклеинските киселини

Третична (терцијарна) структура на нуклеинските киселини — тридимензионална форма на полимер на нуклеинска киселина.^[1] Молекулите на РНК и ДНК се способни за разновидни функции, од молекуларно препознавање до катализа. Ваквите функции бараат прецизна тридимензионална третична структура. Иако овие структури се разновидни и навидум сложени, тие се составени од повторувачки, лесно препознатливи мотиви на третична структура, кои служат како молекуларни градбени единици. Некои од најчестите мотиви на третична структура на РНК и ДНК се опишани подолу, но овие информации се засноваат на ограничен број на решени структури. Како што новооткриените молекули на РНК и ДНК структурно се одликуваат, се верува дека ќе бидат откриени уште многу нови третични структурни мотиви.

Двојната завојница е доминантната третична структура кај биолошките ДНК молекули, но исто така се јавува и кај биолошките РНК молекули. Се верува дека во живиот свет се јавуваат три ДНК-конформации, А-ДНК, Б-ДНК и З-ДНК. Формата „Б“, опишана од Џејмс Д. Вотсон и Френсис Крик, се верува дека е доминатна во клетките.^[2] Џејмс Д. Вотсон и Френсис Крик ја опишале оваа структура како двојна завојница со полупречник од 10 Å и висина од 34 Å, кој прави едно целосно свртување околу својата оска за секои 10 базни парови од полинуклеотидната низа.^[3] Во раствор, двојната завојница прави едно комплетно свртување околу својата оска за секои 10.4-10.5 базни парови. Оваа честота на свртување (позната како хеликална висина) во голема мера зависи од силата на стекинг интеракцијата, со која секоја база ги привлекува своите соседни бази во склоп на полинуклеотидната верига. Двоверижните РНК молекули имаат конформација слична на структурата на А-формата.

Можни се и други конформации; всушност, моментално достапни останаа само буквите F, Q, U, V и Y за да се опише нова структура на ДНК која може да се открие во иднината.^[4] Сепак, повеќето од овие форми се синтетски создадени и досега не биле откриени во природните биолошки системи.

Триплексот на малиот жлеб е сеприсутен структурен мотив кај РНК. Бидејќи интеракциите со малиот жлеб често се посредувани од 2'-ОН групата на рибозата, овој РНК мотив изгледа многу поразлично од неговиот ДНК еквивалент. Најчестиот пример за триплекс на малиот жлеб е А-минорниот мотив, или вметнувањето на аденозински бази во малиот жлеб. Сепак, овој мотив не е ограничен само на аденозини, бидејќи е забележано дека и другите азотни бази стапуваат во интеракција со малиот жлеб на РНК.

Малиот жлеб претставува речиси совршен комплемент за вметната база. Ова овозможува оптимални ван дер Валсови контакти, екстензивно поврзување со водородни врски и хидрофобни сили и создава енергетски многу поволна интеракција.^[5] Бидејќи триплексите на малиот жлеб се способни за стабилно пакување на слободна петелка и завојница, тие се клучни елементи во структурата на големите рибонуклеотиди, вклучувајќи ги групата I интрони,^[6] групата II интрони,^[7] и рибозомот. Иако големиот жлеб на стандардната А-форма на РНК е прилично тесен и затоа е помалку достапен за триплекс интеракција во однос на малиот жлеб, во неколку РНК структури може да се забележат триплекс интеракции на големите жлебови. Овие структури се состојат од неколку комбинации на базни парови и Хогстенови заемодејства. На пример, ГГЦ триплексот (ГГЦ амино (N-2) -N-7, имино-карбонил, карбонил-амино (N-4); Вотсон-Крик) забележан во 50S рибозомната подединица, составен од Вотсон-Крик Г-Ц пар и дополнителен Г кој формира псевдо-Hoogsteen мрежа на водородни врски помеѓу двете бази кои го формираат Вотсон-Крик парот.^[8] Други значајни примери на триплекси на големиот жлеб ги вклучуваат (i) каталитичкото јадро на групата II интрони прикажано на сликата од лево^[9] (ii) каталитички значајна тројна завојница во човечката теломеразна РНК компонента^[10] и (iii) САМ-II рибосвичот.^[11]

Формирањето на троверижна ДНК е исто така можно со помош на Hoogsteen или обратни Hoogsteen водородни врски во големиот жлеб на Б-формата на ДНК.

Покрај двојните завојници и триплекси, РНК и ДНК можат да формираат и тетраплексни завојници. Постојат разновидни структури на РНК базни тетраплекси. Четири последователни гванински остатоци можат да формираат тетраплекс во РНК молекули со помош на Hoogsteen водородни врски, формирајќи на тој начин „Hoogsteen-ов прстен“ (види слика).^[8] Исто така, Г-Ц и А-У паровите можат да формираат базен тетраплекс со комбинација на Вотсон-Крик спарувања и невообичаени спарувања во малиот жлеб.^[12]

Јадрото на малахит зелено аптамерот е, исто така, еден вид на базен тетраплекс со различна шема на водородно врзување (види слика).^[13] Овој тетраплекс може да се повторува неколкупати последователно, создавајќи значително стабилна структура.

Уникатната структура на тетраплексните региони во РНК служи за извршување на разновидни биолошки функции. Две важни функции се потенцијалот за врзување со лиганди или белковини и неговата способност да ја стабилизира целокупната третична структура на ДНК или РНК. Оваа јака структура може да ги инхибира или модулира процесите на транскрипција и репликација, како што е случајот со хромозомските теломери и нетранслатираниот регион на иРНК.^[14] Составот на базите е значаен за врзувањето на лиганди. Гванинскиот тетрад (наречен и Г-тетрад или Г-квартет) обично ги врзува едновалентните катјони како калиумот, додека други бази можат да врзат бројни други лиганди, како што е врзувањето на хипоксантин во У-У-Ц-У тетраплексот.^[12]

Два или повеќе Г-тетради можат да се сложат едни врз други за да формираат Г-квадриплекс, кој може да врши разновидни функции во клетката. На пример, кај бактериите, Г-квадриплексот во иРНК молекулите игра улога на регулатор на генската експресија.^[15]

Коаксијалното насложување, познато и како хеликално насложување, е една од главните детерминанти за формирање на третичната структура кај РНК молекулите. Коаксијалното насложување се јавува кога два РНК-дуплекса формираат непрекината завојница, која е стабилизирана преку базните пластени сили, кои се јавуваат на спојното место на двете завојници. Коаксијалното насложување е забележано во кристалната структура на фенилаланин-тРНК .^[16] Во поново време, коаксијалното насложување е забележано во структурите од повисок ред на многу рибозими, вклучувајќи и многу форми на селф-сплајсинг интрони од група I и група II. Најчестите мотиви на коаксијално насложување ги вклучуваат интеракцијата на бакнувачката петелка (анг. kissing loop interaction) и псевдојазолот (анг. pseudoknot). Стабилноста на овие интеракции може да се предвиди со адаптација на „Тарнеровите правила“.

Во 1994 година, Волтер и Тарнер ја утврдиле слободната енергија на стекинг интеракциите на најблиските соседи во рамките на спојното место на двете завојници, со користење на програма која создала спојка меѓу краток олигомер и четири-нуклеотидна петелка на крајот на стебло-петелка структура. Нивните експерименти потврдиле дека термодинамичкиот придонес на базните стекинг интеракциите помеѓу две хеликални вторични структури е сличен со термодинамиката на стандардната формација на дуплекс (интеракциите меѓу најблиските соседи ја предвидува термодинамичката стабилност на двојната завојница). Релативната стабилност на најблиските соседни интеракции може да се користи за да се предвиди најповолното коаксијално насложување врз основа на позната вторична структура. Волтер и Тарнер откриле дека, во просек, предвидувањата на структурата на РНК се зголемиле од 67% до 74% точност кога било вклучено коаксијалното насложување.^[17]

Повеќето добро проучени третични структури на РНК содржат примери за коаксијално насложување. Некои истакнати примери се фенилаланин-тРНК, интрони од I група, интрони од II група и рибозомни РНК молекули. Кристалните структури на тРНК откриле присуство на два продолжени завојници кои произлегуваат од коаксијалното насложување на акцепторното стебло за аминокиселини со Т-раката, и коаксијалното насложување на Д-раката и антикодонската рака. Овие интеракции во склоп на тРНК ја ориентираат антикодонската рака вертикално (нормално) во однос на акцепторното стебло за аминокиселини, што доведува до познатата функционална третична структура во облик на латиничната буква L.^[16] Со комбинација на биохемиски^[18] и кристалографски методи, било докажано дека кај интроните од I група, P4 и P6 завојниците коаксијално се насложнуваат. Кристалната структура на P456 дала детален приказ за тоа како коаксијалното насложување го стабилизира пакувањето на РНК завојниците во третични структури.^[19] Во селф-сплајсинг интронот од групата II кај Oceanobacillus iheyensis, IA и IB стеблата коаксијално се насложнуваат и на тој начин придонесуваат за релативната ориентација на составните завојници со петонасочен спој.^[9] Оваа ориентација го олеснува правилното преклопување на активното место кај функционалниот рибозим. Рибозомот исто така содржи бројни примери на коаксијално насложување, вклучувајќи насложени сегменти долги и до 70 бп (базни парови).^[20]

Двата најчести мотиви кои вклучуваат коаксијално насложување се бакнувачките петелки и псевдојазлите. Кај интеракцијата на бакнувачки петелки, едноверижните петелки од две шноли стапуваат во интеракција преку базно спарување, формирајќи на тој начин коаксијално насложена завојница. Оваа структура им овозможува на нуклеотидите од секоја петелка да учествуваат во базно спарување и пластени заемодејства. Овој мотив бил визуелизиран и проучен од страна на Ли и Кротерс со употреба на NMR анализа.^[21] Мотивот псевдојазол се јавува кога едноверижен регион од петелката на шнола базно се спарува со узводна или низводна низа во рамките на истата РНК верига. Двата резултирачки дуплекс региони често се насложуваат еден врз друг, формирајќи стабилна коаксијално насложена завојница. Пример за мотив на псевдојазол е високостабилниот рибозом на Хепатит Делта вирусот, чиј ’рбет има топологија на двоен псевдојазол.^[22]

Сличен ефект на коаксијално насложување бил забележан кај рационално дизајнираните ДНК структури. ДНК оригами структурите содржат голем број на двојни завојници со изложени тапи завршетоци. Било забележано дека овие структури се лепат една за друга по должината на рабовите кои ги содржат изложените тапи завршетоци, како резултат на хидрофобните стекинг интеракции.^[23]

Тетрапетелка-рецептор интеракциите ги комбинираат интеракциите на базно спарување и стекинг интеракциите помеѓу нуклеотидите на тетрапетелка мотивот и рецепторниот мотив сместени на РНК дуплексот, создавајќи на тој начин третичен контакт кој ја стабилизира целокупната третична градба на РНК молекулата. Тетрапетелката се јавува и кај ДНК дуплексите.^[24]

Мотивите стебло-петелка (шнола) можат да варираат во голема мера во однос на големината и низата, но тетрапетелките составени од четири нуклеотиди се доста чести и тие обично припаѓаат на една од три категории, врз основа на нивната низа.^[25] Овие три категории се CUYG, UNCG и GNRA (види слика десно).^[26] Кај секоја од овие категории, вториот и третиот нуклеотид формираат кривина во РНК веригата, а базното спарување помеѓу првиот и четвртиот нуклеотид ја стабилизира структурата на стебло-петелка. Утврдено е дека стабилноста на тетрапетелката зависи од составот на базите на петелката.^[27] GNRA категоријата на тетрапетелки е најчестата кај интеракциите на тетрапетелка-рецептор.

„Тетрапетелка рецептор мотиви“ претставуваат третични интеракции кои се состојат од водородни врски меѓу базите во тетрапетелката и далечни низи од вторичната РНК структура.^[28] Во прилог на водородните врски, стекинг интеракциите се значителна компонента на овие третични интеракции. На пример, кај GNRA -тетрапетелка интеракциите, вториот нуклеотид на тетрапетелката се насложува директно на А-платформскиот мотив во рецепторот.^[19] Низата на тетрапетелката и нејзиниот рецептор често се коваријабилни, така да истиот тип на третичен контакт може да се направи со различни изоформи на тетрапетелката и нејзиниот соодветен рецептор.^[29]

На пример, структурата и функцијата на селф-сплајсинг интронот од групата I се должат на тетрапетелка рецептор мотивите.^[19][28] Трите аденински остатоци од GAAA мотивот се насложуваат на врвот на завојницата на рецепторот и формираат повеќе стабилизирачки водородни врски со рецепторот. Првиот аденин од GAAA низата формира тројно базно спарување со аденинот и урацилот од рецепторот. Вториот аденин е стабилизиран со водородни врски со истиот уридин, како и преку 2'-OH со рецепторот и преку интеракции со гванин од GAAA тетрапетелката. Третиот аденин формира троен базен пар.

A-минорниот мотив е сеприсутен РНК третичен структурен мотив. Тој се формира со вметнување на неспарен нуклеозид во малиот жлеб на РНК дуплекс. Како таков, тој е пример за триплекс на малиот жлеб. Интеракциите на малиот жлеб најчесто се посредувани од аденин, иако гванозин, цитозин и уридин исто така можат да формираат интеракции на малиот жлеб. Во случајот на аденин, N1-C2-N3 работ на базата која се вметнува, формира водородни врски со една или две 2'-OH групи на дуплексот, како и со базите на дуплексот (види слика: A-минор интеракции). Дуплексот-домаќин е најчесто базен пар на Г-Ц.

A-минорните мотиви се поделени во четири класи,^[5] типови 0 до III, врз основа на позицијата на вметнувачката база во однос на двете 2'-ОН групи на Вотсон-Крик базниот пар. Кај тип I и II на A-минор мотивите, N3 на аденинот е вметнат длабоко во малиот жлеб на дуплексот (види слика: A-минор интеракции - тип II интеракција), и постои добра комплементарност со базниот пар. За разлика од типовите 0 и III, интеракциите од тип I и II се специфични за аденинот поради интеракциите на водородни врски. Кај интеракцијата од тип III, O2' и N3 на вметнувачката база послабо се поврзани со малиот жлеб на дуплексот. Мотивите од тип 0 и III се послаби и неспецифични, бидејќи тие се посредувани со интеракции од една 2'-OH група.

A-минорниот мотив е меѓу најчестите РНК структурни мотиви во рибозомот, каде што придонесува за врзување на тРНК за 23S рибозомната РНК.^[30] Тој најчесто ги стабилизира РНК дуплексните интеракции во петелките и завојниците, како што е јадрото на интроните од II група.^[9]

Интересен пример за A-минорен мотив е неговата улога во препознавањето на антикодоните. Рибозомот мора да прави разлика помеѓу точните и погрешните парови на кодон-антикодон. Тоа го прави, делумно, преку вметнување на аденинските бази во малиот жлеб. Погрешните кодон-антикодон парови даваат искривена завојна геометрија, која ја попречува A-минорната интеракција во стабилизирањето на врската и така ја зголемува стапката на дисоцијација на погрешната тРНК.^[31]

Анализа на A-минорните мотиви во 23S рибозомната РНК откри хиерархиска мрежа на структурни зависности, за која се претпоставува дека е поврзана со рибозомната еволуција и со редот на настаните кои довеле до развојот на сегашната бактериска рибозомна голема подединица.^[32]

Рибозниот патент е третичен РНК структурен елемент во кој две РНК вериги се држат заедно со водородни врски меѓу 2'OH групи на рибози кои се наоѓаат на различни вериги. 2'OH групата може да се однесува и како дарител и како акцептор на водородна врска, што овозможува формирање на разгранети водородни врски со друга 2'OH група.^[33][34]

Бројни форми на рибозен патент биле откриени, но најчестата форма вклучува четири водородни врски помеѓу 2'-OH групи од два соседни шеќери. Рибозните патенти најчесто се јавуваат во низи кои ги стабилизираат интеракциите помеѓу одделни РНК вериги.^[35] Рибозните патенти често се среќаваат како интеракции кај стебло-петелка со многу ниска специфичност на низата. Сепак, кај малите и големите рибозомни подединици, постои склоност за појава на рибозни патенти кај ЦЦ/AA низата - два цитозини на едната верига спарени за два аденини на втората верига.

Функционалните РНК молекули често се преклопени и стабилни молекули со тридимензионална форма, наместо линеарни нишки.^[36] Катјоните се значајни за термодинамичка стабилизација на третичните структури на РНК. Металните катјони кои се врзуваат за РНК може да бидат едновалентни, двовалентни или тровалентни. Калиумот (К⁺) е чест едновалентен јон, кој се врзува за РНК молекулите. Чест двовалентен јон кој се врзува за РНК е магнезиумот (Mg²⁺). Другите јони, вклучувајќи ги натриум (Na⁺), калциум (Ca²⁺) и манган (Mn²⁺), се врзуваат за РНК in vivo и in vitro. Повеќевалентните органски катјони како што се спермидин или спермин, исто така, се наоѓаат во клетките и тие придонесуваат за преклопување на РНК. Тровалентните јони, како што се кобалт хексамин или лантаноидните јони, како што е тербиум (Tb³⁺), се корисни експериментални алатки за проучување на врзувањето на металите за РНК.^[37][38]

Металниот јон може да стапува во интеракција со РНК на повеќе начини. Јонот може дифузно да се врзе за ’рбетот на РНК, заштитувајќи го од неповолни електростатички интеракции. Ова штитење од електрични полнежи често се остварува со помош на едновалентни јони. Јоните врзани на одредена локација ги стабилизираат специфичните елементи на третичната структура на РНК. Јоните врзани на одредена локација можат да се поделат на две категории, во зависност од тоа дали водата посредува во врзувањето на металот. Интеракциите на „надворешната сфера“ се посредувани од молекули на вода кои го опкружуваат металниот јон. На пример, магнезиум хексахидрат стапува во интеракција и стабилизира специфични мотиви на третичната структура на РНК, преку интеракции со гванозин во големиот жлеб. Спротивно на тоа, интеракциите на „внатрешната сфера“ се директно посредувани од металниот јон. РНК молекулите честопати поминуваат низ повеќе фази во тек на преклопувањето, а во секоја од нив структурата може да биде стабилизирана од различни типови на катјони. Во раните фази, РНК формира вторични структури стабилизирани преку врзување на едновалентни катјони, двовалентни катјони и полианјонски амини, со цел да се неутрализира полианјонскиот ’рбет. Подоцнежните фази на овој процес го вклучуваат формирање на третична структура на РНК, која се стабилизира во голема мера преку врзувањето на двовалентни јони, како што е магнезиумот, со можни придонеси од врзувањето на калиум.

Местата на врзување на металот често се локализирани во длабокиот и тесен голем жлеб на дуплексот на РНК, координирани за Hoogsteen рабовите на пурините. Особено, металните катјони ги стабилизираат местата на вртење на ’рбетот, каде што јакото пакување на фосфатите резултира со региони на густ негативен полнеж. Постојат неколку мотиви кои врзуваат метални јони во РНК дуплексите кои се идентификувани во кристалните структури. На пример, во P4-P6 доменот на интронот од група I на Tetrahymena thermophila, неколку места за врзување на јони се состојат од тандемски Г-У wobble парови и тандемски Г-А погрешни парови, во кои двовалентните катјони стапуваат во интеракција со Hoogsteen работ на гванозин преку О6 и N7.^[39][40][41] Друг јон-врзувачки мотив во интронот од група I на Tetrahymena thermophila е A-A платформскиот мотив, во кој последователните аденозини во истата верига на РНК формираат невообичаен пар на псевдобази.^[42] За разлика од тандемскиот Г-У мотив, A-A платформскиот мотив се врзува претежно за едновалентни катјони. Во многу од овие мотиви, отсуството на едновалентни или двовалентни катјони резултира со поголема флексибилност или губење на третичната структура.

Двовалентните метални јони, особено магнезиумот, се смета дека се за важни за структурата на ДНК-спојките, како интермедиерната Холидеј спојница во генетската рекомбинација. Магнезиумовиот јон ги штити негативно наелектризираните фосфатни групи во спојницата и им овозможува да бидат позиционирани поблиску заедно, овозможувајќи на тој начин насложена конформација, наместо несложена конформација.^[43] Магнезиумот е неопходен за стабилизирањето на овие видови на спојници кај вештачки дизајнираните структури кои се користат во ДНК нанотехнологијата, како што е двојниот кросовер мотив.^[44]

• Првична структура на нуклеинските киселини
• Вторична структура на нуклеинските киселини
• Четвртична структура на нуклеинските киселини

• Првична, вторична и третична структура на РНК — видеопрезентација на д-р Ана Мари Пајл при универзитетот Јел во САД.