Z-DNA - Z-DNA

Die Z-DNA-Struktur. Proteopädie Z-DNA

Z-DNA ist eine der vielen möglichen Doppelhelix- Strukturen der DNA . Es handelt sich um eine linksgängige Doppelhelixstruktur, bei der sich die Helix im Zickzackmuster nach links windet, anstatt nach rechts, wie bei der häufigeren B-DNA- Form. Es wird angenommen, dass Z-DNA neben A-DNA und B-DNA eine von drei biologisch aktiven doppelhelikalen Strukturen ist .

Geschichte

Linkshänder-DNA wurde erstmals von Robert Wells und Kollegen entdeckt, als sie ein sich wiederholendes Polymer von Inosin – Cytosin – untersuchten . Sie beobachteten für solche DNAs ein "umgekehrtes" Circulardichroismus- Spektrum und interpretierten dies (richtig) so, dass sich die Stränge linkshändig umeinander wickelten. Die Beziehung zwischen Z-DNA und der bekannteren B-DNA wurde durch die Arbeit von Pohl und Jovin aufgezeigt, die zeigten, dass der ultraviolette Zirkulardichroismus von Poly(dG-dC) in 4 M Natriumchloridlösung nahezu invertiert war . Der Verdacht, dass dies das Ergebnis einer Umwandlung von B-DNA zu Z-DNA war, wurde durch die Untersuchung der Raman-Spektren dieser Lösungen und der Z-DNA-Kristalle bestätigt. Anschließend wurde eine Kristallstruktur von "Z-DNA" veröffentlicht, die sich als die erste Einkristall-Röntgenstruktur eines DNA-Fragments (ein selbstkomplementäres DNA-Hexamer d(CG) ₃ ) herausstellte . Es wurde als linksgängige Doppelhelix mit zwei antiparallelen Ketten aufgelöst, die von Watson-Crick- Basenpaaren zusammengehalten wurden (siehe Röntgenkristallographie ). Es wurde 1979 von Andrew HJ Wang , Alexander Rich und Mitarbeitern am MIT gelöst . Die Kristallisation einer B-zu-Z-DNA-Verbindung im Jahr 2005 ermöglichte ein besseres Verständnis der möglichen Rolle von Z-DNA in Zellen. Immer wenn sich ein Segment der Z-DNA bildet, müssen an seinen beiden Enden B-Z-Verbindungen vorhanden sein, die es mit der im Rest des Genoms gefundenen B-Form der DNA verbinden .

Im Jahr 2007 wurde die RNA- Version von Z-DNA, Z-RNA , als transformierte Version einer A-RNA -Doppelhelix in eine linkshändige Helix beschrieben. Der Übergang von A-RNA zu Z-RNA wurde jedoch bereits 1984 beschrieben.

Struktur

B-Z-Verbindung, gebunden an eine Z-DNA-Bindungsdomäne. Beachten Sie die beiden hervorgehobenen extrudierten Basen. Aus PDB : 2ACJ ​.

Z-DNA unterscheidet sich stark von den rechtshändigen Formen. Tatsächlich wird Z-DNA oft mit B-DNA verglichen, um die Hauptunterschiede zu veranschaulichen. Die Z-DNA-Helix ist linksgängig und hat eine Struktur, die jedes zweite Basenpaar wiederholt. Die großen und kleinen Furchen weisen im Gegensatz zu A- und B-DNA nur geringe Breitenunterschiede auf. Die Bildung dieser Struktur ist im Allgemeinen ungünstig, obwohl bestimmte Bedingungen sie fördern können; wie alternierend Purin - pyrimidin - Sequenz (insbesondere Poly (DGC) ₂ ), negatives DNA - Supercoiling oder hohe Salz und einige Kationen (alle bei physiologischer Temperatur, 37 ° C und pH 7,3-7,4). Z-DNA kann eine Verbindung mit B-DNA (als "B-to-Z-Junction-Box" bezeichnet) in einer Struktur bilden, die die Extrusion eines Basenpaars beinhaltet. Die Z-DNA-Konformation ist schwierig zu untersuchen, da sie nicht als stabiles Merkmal der Doppelhelix existiert. Stattdessen handelt es sich um eine vorübergehende Struktur, die gelegentlich durch biologische Aktivität induziert wird und dann schnell verschwindet.

Vorhersage der Z-DNA-Struktur

Es ist möglich, die Wahrscheinlichkeit vorherzusagen, dass eine DNA-Sequenz eine Z-DNA-Struktur bildet. Ein Algorithmus zur Vorhersage der Neigung der DNA, von der B-Form in die Z-Form zu wechseln , ZHunt , wurde 1984 von P. Shing Ho am MIT geschrieben . Dieser Algorithmus wurde später von Tracy Camp , P. Christoph Champ , Sandor Maurice und Jeffrey M. Vargason für die genomweite Kartierung von Z-DNA (mit Ho als Hauptforscher) entwickelt.

Weg der Bildung von Z-DNA aus B-DNA

Seit der Entdeckung und Kristallisation der Z-DNA im Jahr 1979 hat die Konfiguration die Wissenschaftler über den Weg und Mechanismus von der B-DNA-Konfiguration zur Z-DNA-Konfiguration verwirrt. Die Konformationsänderung von der B-DNA- zur Z-DNA-Struktur war auf atomarer Ebene unbekannt, aber im Jahr 2010 wurden Computersimulationen von Lee et al. konnten rechnerisch bestimmen, dass die schrittweise Ausbreitung eines B-zu-Z-Übergangs eine niedrigere Energiebarriere als der zuvor angenommene konzertierte Mechanismus bieten würde. Da dies rechnerisch nachgewiesen wurde, müsste der Weg zur weiteren Bestätigung und Gültigkeit noch experimentell im Labor getestet werden, wobei Lee et al. Konkret heißt es in ihrem Zeitschriftenartikel: "Das aktuelle [rechnerische] Ergebnis könnte in Zukunft durch Einzelmolekül-FRET (smFRET)-Experimente getestet werden." 2018 wurde der Weg von B-DNA zu Z-DNA mit smFRET-Assays experimentell nachgewiesen. Dies wurde durchgeführt, indem die Intensitätswerte zwischen den Donor- und Akzeptor-Fluoreszenzfarbstoffen, auch als Fluorophore bekannt , in Bezug zueinander gemessen wurden, während sie Elektronen austauschen, während sie an ein DNA-Molekül gebunden sind. Die Abstände zwischen den Fluorophoren könnten verwendet werden, um die Veränderungen in der Nähe der Farbstoffe und Konformationsänderungen in der DNA quantitativ zu berechnen. Ein Z-DNA- Bindungsprotein mit hoher Affinität , hZαADAR1, wurde in unterschiedlichen Konzentrationen verwendet, um die Transformation von B-DNA zu Z-DNA zu induzieren. Die smFRET-Assays zeigten einen B*-Übergangszustand, der sich bildete, als die Bindung von hZαADAR1 an die B-DNA-Struktur akkumulierte und diese stabilisierte. Dieser Schritt erfolgt, um eine hohe Übergangsenergie zu vermeiden, bei der es der B-DNA-Struktur ermöglicht wird, eine Konformationsänderung zur Z-DNA-Struktur ohne eine größere, störende Energieänderung zu erfahren. Dieses Ergebnis stimmt mit den Berechnungsergebnissen von Lee et al. was beweist, dass der Mechanismus stufenweise ist und sein Zweck darin besteht, eine niedrigere Energiebarriere für die Konformationsänderung von der B-DNA- zur Z-DNA-Konfiguration bereitzustellen. Entgegen der bisherigen Vorstellung stabilisieren die Bindungsproteine ​​die Z-DNA-Konformation nach ihrer Bildung nicht wirklich, sondern fördern die Bildung der Z-DNA direkt aus der B*-Konformation, die von der B-DNA gebildet wird Struktur, die von hochaffinen Proteinen gebunden wird.

Biologische Bedeutung

Eine biologische Rolle der Z-DNA bei der Regulierung von Typ-I-Interferon-Antworten wurde in Studien zu drei gut charakterisierten seltenen Mendelschen Erkrankungen bestätigt: Dyschromatosis Symmetrica Hereditaria (OMIM: 127400), Aicardi-Goutières-Syndrom (OMIM: 615010) und Bilaterale Striatal Nekrose/Dystonie. Familien mit haploiden ADAR-Transkriptomen ermöglichten die direkte Kartierung von Zα-Varianten auf die Krankheit, was zeigt, dass genetische Informationen sowohl durch Form als auch durch Sequenz in der DNA kodiert sind. Eine Rolle bei der Regulierung von Typ-I-Interferon-Antworten bei Krebs wird auch durch die Ergebnisse gestützt, dass 40% einer Gruppe von Tumoren zum Überleben auf das ADAR-Enzym angewiesen waren.

In früheren Studien wurde Z-DNA sowohl mit der Alzheimer-Krankheit als auch mit systemischem Lupus erythematodes in Verbindung gebracht . Um dies zu demonstrieren, wurde eine Studie an der DNA durchgeführt, die im Hippocampus von Gehirnen gefunden wurde, die normal, mäßig von Alzheimer betroffen und stark von Alzheimer betroffen waren. Durch den Einsatz von Circulardichroismus zeigte diese Studie das Vorhandensein von Z-DNA in der DNA der schwer Betroffenen. In dieser Studie wurde auch festgestellt, dass große Teile der mäßig betroffenen DNA in der BZ-Zwischenkonformation vorlag. Dies ist von Bedeutung, da aus diesen Ergebnissen geschlossen wurde, dass der Übergang von B-DNA zu Z-DNA vom Fortschreiten der Alzheimer-Krankheit abhängig ist. Darüber hinaus wird Z-DNA durch das Vorhandensein natürlich vorkommender Antikörper mit systemischem Lupus erythematodes (SLE) in Verbindung gebracht. Signifikante Mengen an Anti-Z-DNA-Antikörpern wurden bei SLE-Patienten gefunden und waren bei anderen rheumatischen Erkrankungen nicht vorhanden. Es gibt zwei Arten dieser Antikörper. Durch Radioimmunoassay wurde festgestellt, dass eine mit den Basen, die auf der Oberfläche von Z-DNA und denaturierter DNA exponiert sind, wechselwirkt, während die andere ausschließlich mit dem Zick-Zack-Rückgrat von nur Z-DNA wechselwirkt. Ähnlich wie bei der Alzheimer-Krankheit variieren die Antikörper je nach Krankheitsstadium, mit maximalen Antikörpern in den aktivsten Stadien des SLE.

Z-DNA in der Transkription

Es wird allgemein angenommen, dass Z-DNA während der Transkription eine Torsionsspannungsentlastung bereitstellt und mit negativem Supercoiling in Verbindung gebracht wird . Während Supercoiling jedoch sowohl mit der DNA-Transkription als auch mit der Replikation verbunden ist, ist die Z-DNA-Bildung hauptsächlich mit der Transkriptionsrate verbunden .

Eine Studie der menschlichen Chromosom 22 zeigte eine Korrelation zwischen Z-DNA - Regionen und Promotorregionen zur Bildung nuclear factor I . Dies legt nahe, dass die Transkription in einigen menschlichen Genen durch die Z-DNA-Bildung und die nukleäre Faktor-I-Aktivierung reguliert werden kann.

Es wurde gezeigt, dass Z-DNA-Sequenzen stromabwärts von Promotorregionen die Transkription stimulieren. Die größte Aktivitätssteigerung wird beobachtet, wenn die Z-DNA-Sequenz drei helikale Windungen nach der Promotorsequenz platziert wird . Darüber hinaus ist es unwahrscheinlich, dass Z-DNA Nukleosomen bildet , die oft nach einer Z-DNA-bildenden Sequenz lokalisiert sind. Aufgrund dieser Eigenschaft wird angenommen, dass Z-DNA für die Nukleosomenpositionierung kodiert. Da die Platzierung von Nukleosomen die Bindung von Transkriptionsfaktoren beeinflusst , wird angenommen, dass Z-DNA die Transkriptionsrate reguliert.

Entwickelt hinter dem Weg der RNA-Polymerase durch negatives Supercoiling, hat sich gezeigt, dass Z-DNA, die durch aktive Transkription gebildet wird, die genetische Instabilität erhöht und eine Neigung zur Mutagenese in der Nähe von Promotoren erzeugt. Eine Studie an Escherichia coli ergab, dass Gendeletionen spontan in Plasmidregionen auftreten, die Z-DNA-bildende Sequenzen enthalten. In Säugerzellen wurde festgestellt, dass die Anwesenheit solcher Sequenzen aufgrund von chromosomalen Doppelstrangbrüchen große genomische Fragmentdeletionen erzeugt . Beide dieser genetischen Modifikationen wurden mit den bei Krebsarten wie Leukämie und Lymphomen gefundenen Gentranslokationen in Verbindung gebracht , da Bruchregionen in Tumorzellen um Z-DNA-bildende Sequenzen herum aufgetragen wurden. Die kleineren Deletionen in bakteriellen Plasmiden wurden jedoch mit Replikationsschlupf in Verbindung gebracht , während die größeren Deletionen, die mit Säugerzellen verbunden sind, durch nicht-homologe Endverbindungsreparatur verursacht werden , die bekanntermaßen fehleranfällig ist.

Die toxische Wirkung von Ethidiumbromid (EtBr) auf Trypanosomen wird durch eine Verschiebung ihrer Kinetoplastid- DNA in die Z-Form verursacht. Die Verschiebung wird durch die Interkalation von EtBr und die anschließende Lockerung der DNA-Struktur verursacht, die zur Entwindung der DNA, Verschiebung in die Z-Form und Hemmung der DNA-Replikation führt.

Entdeckung der Zα-Domäne

Die erste Domäne, die Z-DNA mit hoher Affinität bindet , wurde in ADAR1 mit einem von Alan Herbert entwickelten Ansatz entdeckt . Kristallographische und NMR- Studien bestätigten die biochemischen Befunde, dass diese Domäne Z-DNA in einer nicht sequenzspezifischen Weise bindet. Verwandte Domänen wurden in einer Reihe anderer Proteine ​​durch Sequenzhomologie identifiziert . Die Identifizierung der Zα-Domäne lieferte ein Werkzeug für andere kristallographische Studien, die zur Charakterisierung von Z-RNA und der B-Z-Verbindung führen. Biologische Studien legten nahe, dass die Z-DNA-Bindungsdomäne von ADAR1 dieses Enzym lokalisieren könnte, das die Sequenz der neu gebildeten RNA an Stellen aktiver Transkription modifiziert. Eine Rolle von Zα, Z-DNA und Z-RNA bei der Abwehr des Genoms gegen die Invasion von Alu-Retroelementen beim Menschen hat sich zu einem Mechanismus zur Regulierung der angeborenen Immunantwort auf dsRNA entwickelt. Mutationen in Zα sind ursächlich für menschliche Interferonopathien wie das Mendelsche Aicardi-Goutières-Syndrom.

Folgen der Z-DNA-Bindung an das E3L-Protein von Vaccinia

Als Z-DNA gründlicher erforscht wurde, wurde entdeckt, dass die Struktur der Z-DNA durch London-Dispersion und Wasserstoffbrückenbindung an Z-DNA-bindende Proteine ​​binden kann . Ein Beispiel für ein Z-DNA-bindendes Protein ist das Vaccinia- E3L-Protein, das ein Produkt des E3L-Gens ist und ein Säugetierprotein nachahmt, das Z-DNA bindet. Das E3L-Protein hat nicht nur eine Affinität zu Z-DNA, es wurde auch festgestellt, dass es eine Rolle bei der Schwere der Virulenz bei Mäusen spielt, die durch das Vacciniavirus, eine Art von Pockenvirus, verursacht wird . Zwei kritische Komponenten des E3L-Proteins, die die Virulenz bestimmen, sind der N-Terminus und der C-Terminus . Der N-Terminus besteht aus einer Sequenz ähnlich der der Zα-Domäne, auch Adenosindeaminase-Z-alpha-Domäne genannt , während der C-Terminus aus einem doppelsträngigen RNA-Bindungsmotiv besteht. Durch Forschungen von Kim, Y. et al. am Massachusetts Institute of Technology wurde gezeigt, dass das Ersetzen des N-Terminus des E3L-Proteins durch eine Zα-Domänensequenz, die 14 E3L-ähnliche Z-DNA-Bindungsreste enthält, wenig bis gar keinen Einfluss auf die Pathogenität des Virus bei Mäusen hatte. Im Gegensatz dazu haben Kim, Y. et al. fanden auch heraus, dass die Deletion aller 83 Reste des E3L-N-Terminus zu einer verringerten Virulenz führte. Dies unterstützt ihre Behauptung, dass der N-Terminus, der die Z-DNA-Bindungsreste enthält, für die Virulenz notwendig ist. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass die ähnlichen Z-DNA-Bindungsreste innerhalb des N-Terminus des E3L-Proteins und der Zα-Domäne die wichtigsten strukturellen Faktoren sind, die die durch das Vacciniavirus verursachte Virulenz bestimmen, während Aminosäurereste, die nicht an der Z-DNA beteiligt sind Bindung wenig bis keine Wirkung. Eine zukünftige Implikation dieser Ergebnisse beinhaltet die Verringerung der Z-DNA-Bindung von E3L in Impfstoffen, die das Vacciniavirus enthalten, sodass negative Reaktionen auf das Virus beim Menschen minimiert werden können.

Darüber hinaus fanden Alexander Rich und Jin-Ah Kwon, dass E3L als Transaktivator für menschliche IL-6-, NF- AT- und p53-Gene fungiert. Ihre Ergebnisse zeigen, dass E3L enthaltende HeLa- Zellen eine erhöhte Expression von humanen IL-6-, NF-AT- und p53-Genen aufwiesen und Punktmutationen oder Deletionen bestimmter Z-DNA-bindender Aminosäurereste diese Expression verringerten. Insbesondere wurde festgestellt, dass Mutationen in Tyr 48 und Pro 63 die Transaktivierung der zuvor erwähnten Gene als Folge des Verlustes der Wasserstoffbrückenbindung und der Londoner Dispersionskräfte zwischen E3L und der Z-DNA reduzieren. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass eine Verringerung der Bindungen und Wechselwirkungen zwischen Z-DNA und Z-DNA-Bindungsproteinen sowohl die Virulenz als auch die Genexpression verringert, was die Bedeutung von Bindungen zwischen Z-DNA und dem E3L-Bindungsprotein zeigt.

Vergleichsgeometrien einiger DNA-Formen

Seitenansicht von A-, B- und Z-DNA.

Die Helixachse von A-, B- und Z-DNA.

Siehe auch

Verweise