DNA的二級結(jié)構(gòu)與功能

　　1979年，Wang和Rich等人在研究人工合成的CGCGCG單晶的X-射線衍射圖譜時出人意料地發(fā)現(xiàn)這種六聚體的構(gòu)象與上面講到的完全不同。它是左手雙螺旋，與右手螺旋的不同是螺距延長(4.5nm左右)，直徑變窄(1.8nm)，每個螺旋含12個堿基對，分子長鏈中磷原子不是平滑延伸而是鋸齒形排列，有如“之”字形一樣，因此叫它Z構(gòu)象(英文字Zigzag的第一個字母)。還有，這一構(gòu)象中的重復(fù)單位是二核苷酸而不是單核苷酸；而且Z�睤NA只有一個螺旋溝，它相當(dāng)于B構(gòu)象中的小溝，它狹而深，大溝則不復(fù)存在(圖15-7)。進(jìn)一步的分析還證明，Z－DNA的形成是DNA單鏈上出現(xiàn)嘌呤與嘧啶交替排列所成的。比如CGCGCGCG或者CACACACA。

圖15－7　Z－DNA和B－DNA

　　Z－DNA有什么生物學(xué)意義呢?應(yīng)當(dāng)指出Z－DNA的形成通常在熱力學(xué)上是不利的。因為Z－DNA中帶負(fù)電荷的磷酸根距離太近了，這會產(chǎn)生靜電排斥。但是，DNA鏈的局部不穩(wěn)定區(qū)的存在就成為潛在的解鏈位點(diǎn)。DNA解螺旋卻是DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等過程中必要的環(huán)節(jié)，因此認(rèn)為這一結(jié)構(gòu)與基因調(diào)節(jié)有關(guān)。比如SV40增強(qiáng)子區(qū)中就有此結(jié)構(gòu)，又如鼠類微小病毒DNS復(fù)制區(qū)起始點(diǎn)附近有GC交替排列序列。此外，DNA螺旋上溝的特征在其信息表達(dá)過程中起關(guān)鍵作用。調(diào)控蛋白都是通過其分子上特定的氨基酸側(cè)鏈與DNA雙螺旋溝中的堿基對一側(cè)的氫原子供體或受體相互作用，形成氫鍵從而識別DNA上的遺傳信息的。大溝所帶的遺傳信息比小溝多。溝的寬窄和深淺也直接影響到調(diào)控蛋白質(zhì)對DNA信息的識別。Z�睤NA中大溝消失，小溝狹而深，使調(diào)控蛋白識別方式也發(fā)生變化。這些都暗示Z�睤NA的存在不僅僅是由于DNA中出現(xiàn)嘌呤一啶嘧交替排列之結(jié)果，也一定是在漫漫的進(jìn)化長河中對DNA序列與結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整與篩選的結(jié)果，有其內(nèi)在而深刻的含意，只是人們還未充分認(rèn)識而已。

　　DNA構(gòu)象的可變性，或者說DNA二級結(jié)構(gòu)的多態(tài)性的發(fā)現(xiàn)拓寬了人們的視野。原來，生物體中最為穩(wěn)定的遺傳物質(zhì)也可以采用不同的姿態(tài)來實(shí)現(xiàn)其豐富多采的生物學(xué)功能。

　　多年來，DNA結(jié)構(gòu)的研究手段主要是X射線衍射技術(shù)，其結(jié)果是通過間接觀測多個DNA分子有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的平均值而獲得的。同時，這項技術(shù)的樣品分析條件使被測DNA分子與天然狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)。因此，在反映DNA結(jié)構(gòu)真實(shí)性方面這種方法存在著缺陷。1989年，應(yīng)用掃描隧道顯微鏡(scanning tummeling microscopy,STM)研究DNA結(jié)構(gòu)克服了上述技術(shù)的缺陷。這種先進(jìn)的顯微技術(shù)，不僅可將被測物放大500萬倍，且能直接觀測接近天然條件下單個DNA分子的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。STM技術(shù)的應(yīng)用是DNA結(jié)構(gòu)研究中的重要進(jìn)展，可望在探索DNA結(jié)構(gòu)的某些未知點(diǎn)上展示巨大潛力。

　　(三)DNA結(jié)構(gòu)的不均一性(heterogeneity)

　　在DNA的一級結(jié)構(gòu)中，四種堿基A，T，C，G遠(yuǎn)非均勻分布，盡管雙螺旋的構(gòu)型大體相同，但沿著DNA鏈各處的物理結(jié)構(gòu)不完全相同，各處雙螺旋的穩(wěn)定性也就顯示出差別，充分體現(xiàn)了DNA一級結(jié)構(gòu)決定高級結(jié)構(gòu)的原理。其不均一性主要有：

　　1.反向重復(fù)序列(inverted repeats)

　　又稱回文序列(palindrome)，它能在DNA或RNA中形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。這種回文結(jié)構(gòu)通常是作為一種特別信號，如限制性核酸內(nèi)切酸(restriction encl閂迥onuclease)及調(diào)節(jié)蛋白的識別位點(diǎn)，轉(zhuǎn)錄終止信號等。

　　2.富含A/T的序列

　　在高等生物中，A+T與G＋C的含量差不多相等，然而在它們的染色體某一區(qū)域，A·T含量可能相當(dāng)高。如在很多有重要調(diào)節(jié)功能的DNA區(qū)段都富含A·T，特別是在復(fù)制起點(diǎn)和啟動子的Pribnow框(真核生物為TATA框)的序列中，其對于復(fù)制和起始十分重要。因為A－T對只有二條氫鍵，此處的雙鏈較G－C對處易于解開，有利于起始復(fù)合物的形成。

　　3.嘌呤和嘧啶的排列順序?qū)﹄p螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

　　人們考察了十種相鄰的二核苷酸對(nearest�瞡eighbor doublets)，發(fā)現(xiàn)一個非常有趣的現(xiàn)象，那就是堿基組成相同，但嘌呤和嘧啶的排列順序不同，雙螺旋的穩(wěn)定性具有顯著的差異。例如5′Gc 3′　3′G 5′和5′GC 3′　3′GC 5′的穩(wěn)定性相差很大，前者的穩(wěn)定性遠(yuǎn)大于后。它們的氫鍵數(shù)目是相同的，它們的差別在于相鄰堿基之間的堆集力不同。即從嘌呤到嘧啶的方向的堿基堆集作用顯著地大于同樣組成的嘧啶到嘌呤方向的堿基堆集作用。(這里的方向就是常規(guī)的從5′端到3′端的方向)。這是因為前者的嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)重迭面積大于后者的嘧啶環(huán)和嘌呤環(huán)的重迭面積，這在B型DNA中確是如此。

　　根據(jù)Gotoh 1981年的研究，十種相鄰二核苷酸對的Tm值如表15?所示，單位為℃，所用離子強(qiáng)度為19.5mmol/l Na＋。

表15－5　相鄰二核苷酸對Tm值

　　由表15-5可以看到，5′TA 3′ 3′AT5′的Tm值最低。在真核生物中，常可以在��19到��27的位置上看到一個叫做TATA框的結(jié)構(gòu)(又稱Hogness框)，這是RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)。在這里RNA聚合酶和有關(guān)蛋白質(zhì)因子形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物。

　　又如，生命有機(jī)體選擇UAA作為最有效的終止密碼子絕不是偶然的，因為64個三聯(lián)體密碼子中，它與反密碼子(假定有的話)形成的互補(bǔ)產(chǎn)物5′UAA3′3′AUU5′的Tm值是最低的一個，即使在生理溫度下也是不穩(wěn)定的。當(dāng)初有人花了很多工夫去尋找一個不攜帶氨基酸的專供肽鏈終止用的tRNA，其實(shí)并不存在這種tRNA。肽鏈的釋放是由釋放因子RF在起作用。在三種終止密碼子中，UAG和UGA常會為突變型的tRNA無義抑制，而UAA則很少發(fā)生無義抑制也可能就是這個道理。這也就說明了為什么在肽鏈終止處常常會出現(xiàn)雙重終止密碼子。

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