Хугстиновские пары

Ху́гстиновские па́ры (синонимы: ху́гстеновские па́ры, имидазо́льные па́ры^[1]) — альтернативный вариант связывания нуклеотидов на комплементарных цепях нуклеиновых кислот ДНК или РНК, соединённых с помощью водородных связей не по каноническому уотсон-криковскому связыванию оснований (A-, B- и Z-ДНК). Для хугстиновских пар две антипараллельные нуклеиновые цепи образуют водородные связи по большой бороздке. Пурины поворачиваются на 180° (Рис. 1). Хотя хугстиновские пары наблюдаются редко, в некоторых последовательностях ДНК, особенно в динуклеотидах 5'-CA-3' и 5'-TA-3'^[2], они существуют в равновесии со стандартными уотсон-криковскими парами оснований.

Рис. 1. Сравнение хугстиновских пар A•T и C•G с уотсон-криковскими. Хугстиновская геометрия может быть достигнута либо вращением пуринов вокруг гликозидной связи (χ), либо переворачиванием основания (θ), влияющих одновременно на позиции C8 и C1 (обозначено жёлтым)

История

Через десять лет после опубликования Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком модели двойной спирали ДНК Карст Хугстин (Karst Hoogsteen) продемонстрировал альтернативные кристаллические структуры для нуклеотидных пар А•Т и C•G^[3].

Химические свойства

Поскольку хугстиновские пары образованы альтернативными водородными связями, они отличаются свойствами от уотсон-криковских пар. Например, угол между двумя гликозильными связями больше (80° для пары A•T), а расстояние C1′–C1′ — меньше, всего 8,2 Å, чем в обычной геометрии (10,1 Å).

G-квадруплексы

Рис. 2. Структура G-квадруплекса. Слева: G-квартет. Справа: межмолекулярный G-квадруплекс

G-квадруплексы (англ. G-quadruplex, G-tetrads или G4) являются последовательностью нуклеиновых кислот, которые обогащены гуанином и способны образовывать структуры из двух, трёх или четырёх цепей. Цепи нуклеиновых кислот из гуанозиновых олиго- и поли-нуклеотидов способны связываться друг с другом при наличии моновалентного катиона, например калия. С помощью дифракционного анализа было показано, что такие поли(G)-нити представляют собой новый тип укладки ДНК — четырёхцепочечную спираль, где четыре гуаниновых основания из разных цепей образуют плоскую структуру, удерживаемую G-G-парными взаимодействиями. Такие структуры отличаются высокой стабильностью в растворе и называются гуаниновыми (G)-квартетами, или G-тетрадами. Каждый G-квартет скреплен в сумме восемью водородными связями, образованными взаимодействием уотсон-криковской стороны одного гуанинового основания с хугстиновской стороной другого. G-квадруплексы могут быть также образованы короткими олигонуклеотидами с соответствующей последовательностью, которую можно схематически записать как GmXnGmXoGmXpGm, где m — количество гуанинов в G-блоке. Эти гуанины обычно непосредственно задействованы в образовании G-тетрад. Xn, Xo и Xp могут быть комбинацией любых остатков, включая G; такие участки формируют петли между G-тетрадами ^[4].

Тройная спираль

Рис. 3. Связи между тремя нуклеотидами в цепи ДНК из трёх цепей

Уотсон-криковские пары обозначены «•», например: A•T и C•G.

В тройной спирали хугстиновские пары отмечены как «*», например: C•G*G+, T•A*T, C•G*G и T•A*A (рис. 3).

Рис. 4. 10 вариантов связываний пурин-пиримидиновых пар

См. также

• Спаренные основания
• G-quadruplex
• Triple-stranded DNA
• Nucleic Acid Nomenclature and Structure

Ссылки

1. Кантор Ч., Шиммел П. Биофизическая химия / Пер. с англ. под ред. А. А. Богданова, Ю. С. Лазуркина, М. Д. Франк-Каменецкого. — М.: Мир, 1984. — Т. 1. — С. 295. — 336 с.
2. Evgenia N. Nikolova, Eunae Kim, Abigail A. Wise, Patrick J. O’Brien, Ioan Andricioaei, Hashim M. Al-Hashimi. Transient Hoogsteen base pairs in canonical duplex DNA (англ.) // Nature : journal. — 2011. — Vol. 470. — P. 498—502.
3. Hoogsteen K. The crystal and molecular structure of a hydrogen-bonded complex between 1-methylthymine and 9-methyladenine (англ.) // Acta Crystallographica^[англ.] : journal. — International Union of Crystallography, 1963. — Vol. 16. — P. 907—916. — doi:10.1107/S0365110X63002437.
4. Решетников Р. В., Копылов А. М., Головин А. В. Классификация G-квадруплексных ДНК по углу вращения квадруплекса и планарности G-квартетов (рус.) // Acta Naturae : журнал. — 2010. — Т. 2, № 4. — С. 80—89. (недоступная ссылка)