XDNA - XDNA

Эта статья посвящена методу обозначений для обозначения генетической информации. Для технологии нескольких видеокарт от Diamond Multimedia, видеть xDNA (мульти-графика). Для других альтернативных систем кодирования нуклеиновых кислот см. аналоги нуклеиновых кислот.

Расширенный аденин.png
Бензо-гомологированный аденин
Расширенный тимин.png
Бензо-омологированный тимин
Expanded cytosine.png
Бензо-гомологированный цитозин
Expanded guanine.png
Бензо-омологированный гуанин

xDNA (также известен как расширенная ДНК или же бензо-гомологированная ДНК) - увеличенный нуклеотид система, синтезированная из слияния бензольное кольцо и одна из четырех естественных баз: аденин, гуанин, цитозин, и тимин.[1] Это увеличение размера дает 8-буквенный алфавит, который имеет большую плотность информации в 2 раза.п по сравнению с естественным ДНК (в литературе часто называют B-ДНК) 4-буквенный алфавит.[2] Как и в обычном спаривание оснований, A пары с xT, C пары с xG, G пары с xC и T пар с xA. В двойная спираль таким образом, 2,4Å шире естественной двойной спирали.[3][4] По своей структуре схожая с B-ДНК, xDNA обладает уникальными свойствами поглощения, флуоресценции и укладки.[5][6][7]

Первоначально синтезирован как фермент Зонд, проведенный группой Нельсона Дж. Леонарда, бензогомологированный аденин был первым синтезированным основанием. Потом, Эрик Т. Кул группа завершила синтез оставшихся трех расширенных базы, в конечном итоге за ней следует яДНК («широкая» ДНК), другая бензогомологированная нуклеотидная система и нафто -гомологированные xxDNA и yyDNA. xDNA более стабильна по сравнению с обычной ДНК при воздействии более высоких температур, и, хотя существуют целые цепи xDNA, yDNA, xxDNA и yyDNA, их в настоящее время трудно синтезировать и поддерживать. Эксперименты с xDNA позволяют по-новому взглянуть на поведение естественной B-ДНК. Расширенные основания xA, xC, xG и xT естественно флуоресцентный, а отдельные цепи, состоящие только из расширенных оснований, могут распознавать и связываться с отдельными цепями естественной ДНК, что делает их полезными инструментами для изучения биологических систем.[3][8] xDNA чаще всего формируется с парами оснований между естественным и расширенным азотистое основание, однако x-азотистые основания также могут быть спарены вместе.[5] Текущие исследования поддерживают xDNA как жизнеспособную систему генетического кодирования в ближайшем будущем.[4]

Происхождение

Первый нуклеотид был расширен пурин аденин. Нельсон Дж. Леонард и его коллеги синтезировали этот оригинальный x-нуклеотид, который получил название «расширенный аденин». xA использовался в качестве зонда при исследовании активные сайты из АТФ -зависимый ферменты, в частности, какие модификации субстрат может занять, оставаясь функциональным.[8][9] Почти два десятилетия спустя три другие базы были успешно расширены и позже интегрированы в двойная спираль к Эрик Т. Кул и коллеги. Их целью было создание синтетической генетической системы, которая имитирует и превосходит функции естественной генетической системы.[10] и расширить область применения ДНК как в живых клетках, так и в экспериментальных биохимия. После создания расширенного базового набора цель сместилась к идентификации или разработке достоверных ферментов репликации и дальнейшей оптимизации расширенного алфавита ДНК.[8]

Синтез

В бензо-гомологированных пуринах (xA и xG) бензольное кольцо привязан к азотистая основа через связи азот-углерод (N-C). Бензо-гомологичные пиримидины образуются за счет углерод-углеродных (C-C) связей между основанием и бензолом.[3] До сих пор х-нуклеиновые основания добавляли к цепям ДНК с использованием фосфорамидит производные, как традиционные полимеразы были безуспешны в синтезе цепей xDNA. X-нуклеотиды - плохие кандидаты в качестве субстратов для полимераз B-ДНК, поскольку их размер мешает связыванию в каталитический домен. Попытки использования независимый от шаблона Ферменты оказались успешными, поскольку они имеют меньшие геометрические ограничения для субстратов. Терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза (TdT) ранее использовался для синтеза цепей оснований, которые были связаны с флуорофоры. С помощью TdT, до 30 мономеры могут быть объединены в двойную спираль xDNA, однако это олигомерный xDNA, по-видимому, ингибирует собственное расширение за пределы этой длины из-за подавляющего образования водородных связей. Чтобы свести к минимуму ингибирование, кДНК можно гибридизировать в регулярную спираль.[7][11]

Репликация

Для использования xDNA в качестве замещающей структуры для хранения информации требуется надежный механизм репликации. Исследование репликации xDNA с использованием Кленовский фрагмент из ДНК-полимераза I показывает, что природное основание-партнер избирательно добавляется в случаях вставки одного нуклеотида. Тем не мение, ДНК-полимераза IV (Dpo4) смог успешно использовать xDNA для этих типов вставок с высокой точностью, что сделало его многообещающим кандидатом для будущих исследований по расширению реплик xDNA.[4] Чувствительность к несоответствию xDNA аналогична чувствительности B-ДНК.[2]

Структура

Химическая структура dxAХимическая структура dxTХимическая структура dxCХимическая структура dxG
АденинТиминЦитозинГуанин
Модифицированная азотистая база dxA.svgМодифицированное азотистое основание dxT.svgМодифицированное азотистое основание dxC.svgМодифицированное азотистое основание dxG.svg
Расширенный размер xAРасширенный размер xTРазвернутый по размеру xCРасширенный размер xG

Подобно природным основаниям, x-нуклеотиды избирательно собираются в дуплексную структуру, напоминающую B-ДНК.[4] xDNA была первоначально синтезирована путем включения бензольного кольца в азотистое основание. Однако другие расширенные базы смогли включить тиофен и бензо [b] тиофен также. xDNA и yDNA используют бензольные кольца для расширения оснований и, таким образом, называются «бензогомологированные». Другая форма расширенных азотистых оснований, известная как yyDNA, включает нафталин в основу и являются «омологированными по нафто». xDNA выросла на 3,2Å и поворот на 32 °, что значительно меньше, чем у B-ДНК, которая имеет подъем на 3,3Å и поворот на 34,2 °[3] Нуклеотиды xDNA могут встречаться на обеих цепях - либо по отдельности (известная как «дважды расширенная ДНК»[8]) или смешанные с натуральными основами - или исключительно на одной или другой пряди. Подобно B-ДНК, xDNA может распознавать и связывать комплементарные одноцепочечные ДНК или же РНК последовательности.[2]

Дуплексы, образованные из кДНК, похожи на натуральные дуплексы помимо расстояния между двумя сахарно-фосфатными цепями. Спирали xDNA имеют большее количество пар оснований на виток спирали в результате уменьшения расстояния между соседними нуклеотидами. Спектры ЯМР показывают, что спирали хДНК антипараллельны, правша и взять анти конформация вокруг гликозидная связь, с сахарной сморщивкой C2'-endo.[5][11] Спирали, созданные из xDNA, с большей вероятностью принимают конформацию B-спирали, а не конформацию A-спирали,[2] и имеют увеличенную ширину основной канавки на 6,5Å (где позвонки наиболее удалены друг от друга) и уменьшили ширину малой канавки на 5,5Å (где магистрали расположены ближе всего) по сравнению с B-ДНК. Изменение ширины бороздки влияет на способность xDNA связываться с ДНК-связывающие белки,[12] но пока расширенный нуклеотиды являются эксклюзивными для одной цепи, сайты узнавания достаточно похожи на B-ДНК чтобы позволить склеивание факторы транскрипции и маленький полиамид молекулы. Смешанные спирали дают возможность узнавать четыре расширенных основания с использованием других ДНК-связывающих молекул.[11]

Характеристики

Расширенные нуклеотиды и их олигомерные спирали имеют много общих свойств с их естественными B-ДНК аналоги, включая их предпочтения при сопряжении: А с Т, C с грамм.[11] Различные различия в химических свойствах между xDNA и B-ДНК поддерживают гипотезу о том, что бензольное кольцо который расширяет x-нуклеиновые основания, на самом деле химически не инертен.[5] xDNA больше гидрофобный чем B-ДНК,[7] а также имеет меньший HOMO-LUMO промежуток (расстояние между самой высокой занятой молекулярной орбиталью и самой низкой незанятой молекулярной орбиталью) в результате модифицированного насыщенность.[3] xDNA имеет более высокие температуры плавления, чем B-ДНК (смешанный декамер xA и T имеет температуру плавления 55,6 ° C, что на 34,3 ° C выше, чем тот же декамер A и T[11]) и демонстрирует поведение плавления "все или ничего".[2]

Конформация

В лабораторных условиях xDNA ориентируется в син конформация. Это, к сожалению, не подвергает связывающую поверхность нуклеотидов кДНК лицом к соседней цепи для связывания, а это означает, что необходимо применять дополнительные меры для изменения конформации кДНК перед попыткой образования спиралей. Тем не менее анти и син ориентации практически идентичны энергетически в расширенных базах.[9] Это конформационное предпочтение проявляется прежде всего в пиримидины, и пурины отображать минимальное предпочтение ориентации.[5]

Улучшенная укладка

Укладка нуклеотиды в двойная спираль является основным фактором стабильности спирали. С добавленным площадь поверхности и водород доступный для связывания, потенциал стэкинга азотистых оснований увеличивается с добавлением бензол распорка. Увеличивая расстояние между азотистые основания и либо сахарно-фосфатная основа, энергия упаковки спирали менее изменчива и, следовательно, более стабильна. Энергии для естественных пар азотистых оснований варьируются от 18 до 52 кДж / моль. Эта дисперсия составляет всего 14-40 кДж / моль для хДНК.[8]

Из-за повышенного перекрытия и расширения прядей ДНК и соседней нити, в расширенных и смешанных спиралях наблюдаются более сильные межцепочечные взаимодействия, что приводит к значительному увеличению стабильности спирали. xDNA обладает улучшенными способностями к укладке в результате изменений меж- и внутрицепочечных водородная связь которые возникают в результате добавления бензол спейсер, но расширение оснований не изменяет вклад водорода в стабильность дуплекса. Эти способности к наложению используются спиралями, состоящими как из кДНК, так и из B-ДНК для того, чтобы оптимизировать прочность спирали. Повышенная укладка особенно заметна в прядях, состоящих только из А и xA и Т и xT, поскольку Т -xA имеет более сильное взаимодействие стекирования, чем Т -А.[3]

Энергия, возникающая из пиримидины колеблется в пределах 30–49 кДж / моль. Ассортимент для пурины составляет 40-58 кДж / моль. При замене одного нуклеотида в двойной спирали на расширенный нуклеотид сила стэкинг-взаимодействий увеличивается на 50%. Расширение обоих нуклеотидов приводит к увеличению силы укладки на 90%. В то время как xG в целом оказывает отрицательное влияние на силу связывания спирали, другие три расширенных основания перевешивают это своими положительными эффектами. Изменение энергии, вызванное расширением оснований, в основном зависит от вращение облигации о азотистых основаниях ' центры масс, и взаимодействия стэкинга центра масс улучшают стэкинг-потенциал спирали.[5] Поскольку увеличенные в размерах основания расширяют спираль, она более термически стабильна с более высокой температурой плавления.[7]

Абсорбция

Добавление бензол распорка в x-азотистые основания влияет на базы ' оптическое поглощение спектры. Теория функционала плотности, зависящая от времени (TDDFT), примененный к xDNA, показал, что бензольный компонент самых высоких занятых молекулярных орбиталей (HOMO ) в x-основаниях фиксирует начало поглощения в более ранней точке, чем естественный базы. Еще одна необычная особенность спектров поглощения xDNA - красный сдвиг. эксимеры xA в нижнем диапазоне. С точки зрения наложения отпечатков пальцев более выраженная гипохромность наблюдается в последовательных xA-Т пар оснований.

Последствия измененной абсорбции xDNA включают приложения в наноэлектронные технологии и нанобиотехнология. Уменьшение расстояния между x-нуклеотидами делает спираль жестче, поэтому на него не так легко повлиять субстрат, электрод, и функциональный наночастица силы. Прочие переделки натурального нуклеотиды приводящие к различным спектрам поглощения, в будущем расширит возможности этих приложений.[6]

Флуоресценция

Одно уникальное свойство xDNA - это присущее ей флуоресценция. Натуральные основания можно привязать непосредственно к флуорофоры для использования в микрочипы, на месте гибридизация, и полиморфизм анализ. Однако эти флуоресцентные природные основы часто выходят из строя в результате самозатухающий, что снижает интенсивность их флуоресценции и снижает их применимость в качестве визуальных тегов ДНК. В пи взаимодействия между кольцами в x-азотистых основаниях приводят к внутреннему флуоресценция в фиолетово-синем диапазоне, с Стоксов сдвиг между 50–80 нм. У них также есть квантовый выход в диапазоне 0,3–0,6. xC имеет наибольшее флуоресцентное излучение.[10][7]

Другие расширенные базы

После создания и успешного исследования, связанного с xDNA, было исследовано больше форм расширенных нуклеотидов. yDNA - вторая подобная система нуклеотидов, в которой используется бензольное кольцо расширить четыре натуральные основы. xxDNA и yyDNA использование нафталин, полициклическая молекула, состоящая из двух углеводород кольца. Два кольца расширяют основу еще больше, изменяя ее химические свойства.

yDNA

Аденин образует две водородные связи с расширенным тимином.
Аденин (слева) связан с х-тимином (справа).

Успех и значение xDNA побудили исследования изучить другие факторы, которые могут изменить B-ДНК химические свойства и создать новую систему для хранения информации с более широкими приложениями. yDNA также использует бензольное кольцо, аналогично xDNA, с той лишь разницей, что сайт добавления ароматическое кольцо. Расположение бензольное кольцо изменяет предпочтительную структуру расширенной спирали. Измененная конформация делает яДНК более похожей на B-ДНК в своей ориентации путем изменения межпрядного водородные связи. Стабильность сильно зависит от вращения оснований вокруг связи между основанием и сахаром позвоночника. Измененное предпочтение yDNA этой ориентации делает ее в целом более стабильной, чем xDNA. Расположение бензол распорка также влияет на геометрию канавки основания, изменяя взаимодействие между соседями. Пары оснований между y-нуклеотидами и природными нуклеотидами плоские, а не слегка скрученные, как в случае xDNA. Это уменьшает рост спираль даже дальше, чем достигается с помощью xDNA.

Аденин образует две водородные связи с у-тимином.
Аденин (слева) связан с у-тимином (справа).

В то время как xDNA и yDNA очень похожи по большинству свойств, включая их повышенное взаимодействие при укладке, yDNA демонстрирует превосходное распознавание несовпадений. y-пиримидины демонстрируют немного более сильные взаимодействия стекирования, чем x-пиримидины, в результате расстояния между двумя аномерный углерода, который немного больше в yDNA. xDNA по-прежнему имеет более сильные взаимодействия стэкинга в модельных спиралях, но добавление x- или y-пиримидинов к естественным двойная спираль усиливает внутри- и межцепочечные взаимодействия, увеличивая общую стабильность спирали. В конце концов, какое из двух взаимодействий будет наиболее сильным, зависит от последовательность; xT и yT связываются А с аналогичной силой, но энергия упаковки yC связана с грамм сильнее xC на 4 кДж / моль. yDNA и другие расширенные основания являются частью очень молодой области, которая очень мало изучена. Исследования показывают, что идеальное строение еще предстоит обнаружить, но зная, что бензол расположение влияет на ориентацию и структуру расширенных азотистых оснований, добавляя информацию для их будущего дизайна.[8]

yyDNA и xxDNA

Нафтохомологированный аденин (xxA) включает двухкольцевую структуру нафталина между двумя его естественными кольцами.
Нафто-гомологированный аденин (xxA)

Двукратно расширенный (или нафто-омологированный) азотистые основания включают нафталин распорка вместо бензольное кольцо, расширяя основание вдвое благодаря своей двукольцевой структуре. Эти структуры (известные как xxDNA и yyDNA) составляют 4,8Å шире чем натуральные основы и снова были созданы в результате исследования Леонарда расширенных аденин в АТФ -зависимый ферменты в 1984 году. Никакой литературы по этим дважды расширенным базам не публиковалось в течение почти трех десятилетий до 2013 года, когда первый xxG был выпущен Sharma, Lait и Wetmore и включен вместе с xxA в естественная спираль. Хотя по xxDNA было проведено очень мало исследований, xx-пурин Уже было показано, что соседи увеличивают энергию внутрицепочечной упаковки до 119% (по сравнению с 62% в x-пуринах). хх-пурин и пиримидин взаимодействия показывают общее уменьшение энергии упаковки, но общая стабильность дуплексы в том числе пиримидинов и х-пуринов увеличивается на 22%, более чем в два раза, чем пиримидинов и х-пуринов.[9]

Использует

xDNA находит множество применений в химических и биологических исследованиях, включая расширение применения естественных ДНК, например строительные леса. Для создания самосборных наноструктур необходим каркас как своего рода решетка для поддержки роста. ДНК использовалась в качестве средства для этой цели в прошлом, но расширенные каркасы делают более крупные каркасы для более сложной самосборки.[1] xDNA электрическая проводимость свойства также делают его главным кандидатом в качестве молекулярная проволока, поскольку его π-π взаимодействия помочь ему эффективно проводить электричество.[3] Его 8-буквенный алфавит (А, Т, C, грамм, xA, xT, xC, xG) дает ему возможность хранить 2п раз больше плотности хранения, где п представляет количество букв в последовательность. Например, объединение 6 нуклеотидов с B-ДНК дает 4096 возможных последовательностей, тогда как комбинация того же количества нуклеотидов, созданная с помощью xDNA, дает 262 144 возможных последовательности. Кроме того, xDNA можно использовать в качестве флуоресцентного зонда на ферменте. активные сайты, как и его первоначальное приложение Леонарда и др.[2]

xDNA также применялась для изучения белок-ДНК взаимодействия. Благодаря естественной флуоресцентный свойства, это может быть легко визуализировано как в лабораторных, так и в бытовых условиях.[5] xDNA становится проще создавать и олигомеризовать, и его связывание с высоким сродством к дополнительный ДНК и РНК Последовательности означают, что он может не только помочь найти эти последовательности, плавающие в ячейке, но также и тогда, когда они уже взаимодействуют с другими структурами внутри ячейки.[10] xDNA также имеет потенциальное применение в анализах, в которых используются TdT так как это может улучшить репортеров и может использоваться как тег сходства для межниточного склеивания.[7]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Линч С.Р., Лю Х., Гао Дж., Кул Э.Т. (ноябрь 2006 г.). «На пути к разработанной, функционирующей генетической системе с парами оснований увеличенного размера: структура решения двойной спирали xDNA из восьми оснований». Журнал Американского химического общества. 128 (45): 14704–11. Дои:10.1021 / ja065606n. ЧВК  2519095. PMID  17090058.
  2. ^ а б c d е ж Гао Дж, Лю Х., Кул Э.Т. (май 2005 г.). «Сборка полной восьмиосновной искусственной генетической спирали, xDNA, и ее взаимодействие с естественной генетической системой». Angewandte Chemie. 44 (20): 3118–22. Дои:10.1002 / anie.200500069. PMID  15834852.
  3. ^ а б c d е ж грамм Fuentes-Cabrera M, Zhao X, Kent PR, Sumpter BG (август 2007 г.). «Электронная структура xDNA». Журнал физической химии B. 111 (30): 9057–61. Дои:10.1021 / jp0729056. PMID  17650925.
  4. ^ а б c d Крюгер А.Т., Лу Х., Хойланд Т., Лю Х., Гао Дж., Кул Э.Т. (01.09.2008). «На пути к репликации xDNA, неестественной генетической системы увеличенного размера». Серия симпозиумов по нуклеиновым кислотам. 52 (1): 455–6. Дои:10.1093 / nass / nrn231. PMID  18776450.
  5. ^ а б c d е ж грамм МакКоннелл Т.Л., Ветмор С.Д. (март 2007 г.). «Каким образом увеличенные в размерах нуклеотидные основания ДНК повышают стабильность дуплекса? Вычислительный анализ водородных связей и способности оснований xDNA к укладке». Журнал физической химии B. 111 (11): 2999–3009. Дои:10.1021 / jp0670079. PMID  17388411.
  6. ^ а б Варсано Д., Гарбеси А., Ди Феличе Р. (декабрь 2007 г.). "Ab initio спектры оптического поглощения расширенных размеров базовых сборок xDNA". Журнал физической химии B. 111 (50): 14012–21. Дои:10.1021 / jp075711z. PMID  18034470.
  7. ^ а б c d е ж Ярчоу-Чой С.К., Крюгер А.Т., Лю Х., Гао Дж., Кул Е.Т. (март 2011 г.). «Флуоресцентные нуклеотиды xDNA как эффективные субстраты для матрично-независимой полимеразы». Исследования нуклеиновых кислот. 39 (4): 1586–94. Дои:10.1093 / nar / gkq853. ЧВК  3045586. PMID  20947563.
  8. ^ а б c d е ж Лайт Л.А., Рутледж Л.Р., Миллен А.Л., Ветмор С.Д. (октябрь 2008 г.). «yDNA против пиримидиновых нуклеиновых оснований xDNA: вычислительные доказательства зависимости стабильности дуплекса от расположения спейсера». Журнал физической химии B. 112 (39): 12526–36. Дои:10.1021 / jp805547p. PMID  18771305.
  9. ^ а б c Шарма П., Лайт Л.А., Ветмор С.Д. (октябрь 2013 г.). «Изучение границ расширения азотистых оснований: вычислительный дизайн нафто-гомологированных (xx-) пуринов и сравнение с природными пуринами и пуринами xDNA». Физическая химия Химическая физика. 15 (37): 15538–49. Bibcode:2013PCCP ... 1515538S. Дои:10.1039 / c3cp52656a. PMID  23942832.
  10. ^ а б c Крюгер А.Т., Лу Х., Ли А.Х., Кул Э.Т. (февраль 2007 г.). «Синтез и свойства ДНК с увеличенным размером: в сторону сконструированных функциональных генетических систем». Отчеты о химических исследованиях. 40 (2): 141–50. Дои:10.1021 / ar068200o. ЧВК  2539066. PMID  17309194.
  11. ^ а б c d е Хекель А (июнь 2004 г.). «Новый аналог ДНК увеличенного размера и объема». ChemBioChem. 5 (6): 765–7. Дои:10.1002 / cbic.200400001. PMID  15174157. S2CID  26157871.
  12. ^ Варгезе М.К., Томас Р., Унникришнан Н.В., Сударсанакумар С. (май 2009 г.). «Моделирование молекулярной динамики xDNA». Биополимеры. 91 (5): 351–60. Дои:10.1002 / bip.21137. PMID  19137576. S2CID  38901164.