2019-11-17 Genetics DNA的不同存在形式

Intro

在不同的分离条件下，可以观察到DNA的不同构象。当James Watson和Francis Crick在分析DNA结构的时候，人们就已经知道有两种DNA构象：A-DNA和B-DNA。Watson和Crick的分析是基于Rosalind Franklin对B-DNA的X射线研究，B-DNA研究条件是在含水和低盐，所以B-DNA也被认为是具有生物学意义的构象。

1950年，Watson和Crick研究DNA结构的时候，采用的是X射线衍射技术，而现在更多采用的是单晶体X射线分析技术。之前的衍射技术能达到约5Å（埃，长度单位，1埃是10的-10 次方米）的分辨率，而现在的技术可以达到原子级分辨率1Å左右。所以现在我们能看到跟多的细节。

A-DNA与B-DNA

A-DNA常见于高盐，脱水的分离条件中，由于技术的发展，我们可以更仔细的分析A-DNA的结构。与B-DNA对比，A-DNA略微更加紧凑，A-DNA在每个完整的螺旋中拥有9对碱基对，直径为23Å（2.3nm）。尽管A-DNA仍然是向右螺旋，但是它的碱基对朝向有点不同——相对于螺旋线的轴有一定的倾斜和横向移位。这也导致A-DNA的大沟和小沟长度有所变化。A-DNA是否能在生理条件下存在还未确定。

A-DNA和B-DNA结构

C-，D-，E-和P-DNA

还有其他不同构象的右旋DNA在不同的实验条件下被发现，它们被命名为C-，D-，E-还有最近发现的P-DNA。C-DNA是在比A-DNA更加脱水的环境下被发现的，其在每次螺旋中只有9.3对碱基对，因此也更加不紧凑，其螺旋后的直径为19Å。与A-DNA一样，C-DNA的碱基也不平坦，也会相对于螺旋轴倾斜。当环境缺少鸟嘌呤（Guanine）的条件下，DNA会呈现出D-和E-形式，他们的每次螺旋碱基对数量更少，分别是8和7。最近，Jean-François Allemand及其团队发现，如果拉伸DNA，则仍会出现另一种构象，称为P-DNA（以Linus Pauling命名）。与DNA的B形式相比，P-DNA更加有意思，由于它更长且更窄，导致位于B-DNA外部的磷酸盐基团（phosphate groups）位于分子内部。同时由于存在于B-DNA螺旋内部的含氮碱基则靠近P-DNA的外表面，因此形成的氢键较少。每次螺旋有2.62对碱基对，而B-DNA中每次螺旋有10.4对碱基对。

Z-DNA

Andrew Wang，Alexander Rich和他们的团队在1979年研究了一种仅包含G≡C碱基对的小型合成DNA寡核苷酸时，发现了另一种形式的DNA，称为Z-DNA。Z-DNA具有左手双螺旋的不同构像，与A和B-DNA一样，Z-DNA由两条反平行链组成，Watson-Crick所发现的碱基对规律保持在一起。除了这些特征之外，Z-DNA也有很大不同。左手螺旋的Z-DNA的直径为18Å（1.8 nm），每次螺旋包含12对碱基对，并具有锯齿状构象（因此得名）。B-DNA中存在的主要沟在Z-DNA中几乎消失。关于Z-DNA区域存在于活生物体染色体中的可能性的推测比比皆是。独特的螺旋排列方式有可能为与DNA结合分子的相互作用提供重要的识别位点。然而，尚不清楚Z-DNA在体内发生的程度。

计算机生成的A-，B-和Z-DNA空间填充模型

人们对DNA的其他形式（例如Z和P）的兴趣来自于这样一种观念，即DNA可能在某些遗传功能中必须采用不同于B型的结构。在复制和转录过程中（当在基因表达过程中合成其RNA补体时），螺旋的链必须分开并变为可与大酶以及与这些过程有关的多种其他蛋白质所接近。 DNA形状的改变可能有助于这些功能。但是，要验证构象改变的生物学意义，还有待进一步研究。

参考书籍：

William S. Klug, Michael R. Cummings, Charlotte A. Spencer, Michael A. Palladino. The Concept of Genetics(10版). Pearson Education, 2012.