生物化學與分子生物學/DNA的空間結構與功能

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核酸的結構與功能- 核酸的化學組成以及一級結構 - DNA的空間結構與功能 - RNA的空間結構與功能 - 核酸的理化性質
在特定的環境條件下(pH、離子特性、離子濃度等),DNA鏈上的功能團可以產生特殊的氫鍵、離子作用力、疏水作用力以及空間位阻效應等,從而使得DNA分子的各個原子在三維空間裡具有了確定的相對位置關係,這稱為DNA的空間結構(spatial structure)。DNA的空間結構可分為二級結構 (secondary structure)和高級結構。

DNA的二級結構是雙螺旋結構[編輯]

DNA雙螺旋結構的實驗基礎[編輯]

20世紀40年代末,美國生物化學家E. Chargaff利用層析和紫外吸收光譜等技術研究了DNA的化學組分,並在1950年提出了有關DNA中四種鹼基的Chargaff規則。它們是:

  • 不同生物個體的DNA, 其鹼基組成不同;
  • 同一個體的不同器官或不同組織的DNA具有相同的鹼基組成;
  • 對於一個特定組織的DNA, 其鹼基組分不隨其年齡、營養狀態和環境而變化;
  • 對於一個特定的生物體,腺嘌呤(A)的摩爾數與胸腺嘧啶(T)的摩爾數相等,鳥嘌呤(G)的摩爾數與胞嘧啶(C)的摩爾數相等。

Chargaff規則揭示了DNA的鹼基之間存在着某種對應的關係,為鹼基之間的互補配對關係奠定了基礎。
20世紀50年代初,英國帝國學院的R.Franklin 和M.Wilkins進行了大量的工作,利用X射線衍射技術來解析DNA分子空間結構。憑藉豐富的經驗和細緻耐心的工作,R. Franklin取得了突破性的進展。1951年11月,R. Franklin獲得了高質量的DNA分子X線衍射照片,並從衍射圖像得出DNA分子呈螺旋狀的推論。當時開展DNA分子空間結構研究工作的還有英國劍橋大學的J. Watson和F. Crick。他們綜合了前人的研究結果,提出了DNA雙螺旋結構(the double helix structure)的模型,並在1953年4月25日將該模型發表在Nature雜誌上。這一發現不僅解釋了當時巳知的DNA的理化性質,而且還將DNA的功能與結構聯繫起來,它詮釋了生物界遺傳性狀得以世代相傳的分子機制,奠定了現代生命科學的基礎。DNA雙螺旋結構揭示了DNA作為遺傳信息載體的物質本質,為DNA作為複製模板和基因轉錄模板提供了結構基礎。DNA雙螺旋結構的發現被認為是現代生物學和醫學發展史的一個里程碑。

DNA雙螺旋結構模型的要點[編輯]

J.Watson和F.Crick提出的DNA雙螺旋結構具有下列特徵:

  • DNA由兩條多聚脫氧核苷酸鏈組成 兩條多聚脫氧核苷酸鏈圍繞着同一個螺旋軸形成反平行的右手螺旋(right-handed helix)的結構。兩條鏈中一條鏈的5'→3'方向是自上而下,而另一條鏈的5'→3'方向是自下而上,呈現出反向平行(anti-parallel)的特徵。DNA雙螺旋結構的直徑為2.37nm, 螺距為3.54nm。
  • DNA的兩條多聚脫氧核苷酸鏈之間形成了互補鹼基對 鹼基的化學結構特徵決定了兩條鏈之間的特有相互作用方式:一條鏈上的腺嘌呤與另一條鏈上的胸腺嘧啶形成了兩對氫鍵;一條鏈上的鳥嘌呤與另一條鏈上的胞嘧啶形成了三對氫鍵。這種特定的鹼基之間的作用關係稱為互補鹼基對(complementary base pair) , DNA的兩條鏈則稱為互補鏈(complementary strand)。鹼基對平面與雙螺旋結構的螺旋軸近乎垂直。平均而言,每一個螺旋有10.5個鹼基對,鹼基對平面之間的垂直距離為0.34nm。
  • 兩條多聚脫氧核苷酸鏈的親水性骨架將互補鹼基對包埋在DNA雙螺旋結構內部 多聚脫氧核苷酸鏈的脫氧核糖和磷酸基團構成了親水性骨架(backbone), 該骨架位於雙螺旋結構的外側,而疏水性的鹼基對包埋在雙螺旋結構的內側。DNA雙鏈的反向平行走向使得鹼基對與磷酸骨架的連接呈現非對稱性,從而在DNA雙螺旋結構的表面上產生一個大溝(major groove)和一個小溝(minor groove)。
  • 兩個鹼基對平面重疊產生了鹼基堆積作用 在DNA雙螺旋結構的旋進過程中,相鄰的兩個鹼基對平面彼此重疊(overlapping), 由此產生了疏水性的鹼基堆積力(base stacking force) 。這種鹼基堆積作用十分重要,它和互補鏈之間鹼基對的氫鍵共同維繫着DNA雙螺旋結構的穩定。

DNA雙螺旋結構的多樣性[編輯]

J.Watson和F.Crick提出的DNA雙螺旋結構模型是基於在92%相對濕度下得到的DNA纖維的X射線衍射圖像的分析結果。這是DNA在水環境下和生理條件下最穩定的結構。隨着研究的深入,人們發現DNA的結構不是一成不變的,溶液的離子強度或相對濕度的變化可以使DNA雙螺旋結構的溝槽、螺距、旋轉角度、鹼基對傾角等發生變化。由於歷史原因,人們將J.Watson和F.Crick提出的雙螺旋結構稱為B型-DNA。當環境的相對濕度降低後,DNA仍然保存着穩定的右手雙螺旋結構,但是它的空間結構參數不同於B型-DNA,人們將其稱為A型-DNA。1979年,美國科學家A. Rich等人在研究人工合成的寡核酸鏈CGCGCG的晶體結構時,發現這種DNA具有左手雙螺旋(left-handed helix)的結構特徵。後來證明這種結構在天然DNA分子中同樣存在,並稱為Z型-DNA。在生物體內,DNA的右手雙螺旋結構不是DNA在自然界中唯一存在方式。 不同的DNA雙螺旋結構是與基因表達的調節和控制相適應的。

不同類型DNA的結構參數
A型-DNA B型-DNA Z-型DNA
螺旋旋向 右手螺旋 右手螺旋 左手螺旋
螺旋直徑 2.55nm 2.37nm 1.84nm
每一螺旋的鹼基對數目 11 10.5 12
螺距 2.53nm 3.54nm 4.56nm
相鄰鹼基對之間的垂直間距 0.23nm 0.34nm 0.38nm
糖苷鍵構象 反式 反式 嘧啶為反式,嘌呤為順式,反式和順式交替
使構象穩定的相對環境濕度 75% 92%
鹼基對平面法線與主軸的夾角 19°
大溝 窄深 寬深 相當平坦
小溝 寬淺 窄深 窄深

DNA的多鏈結構[編輯]

隨着對DNA研究的不斷深入,人們發現,自然界中還存在着多條鏈結合在一起的DNA結構。在酸性的溶液中,胞嘧啶N-3原子可以被質子化,這使得它可以在DNA雙鏈的大溝一側與已有的GC鹼基對中的鳥嘌呤N-7原子形成了新的氫鍵,同時,胞嘧啶的C-4位氨基的氫原子也可以與鳥嘌呤的C-6位氧形成了新的氫鍵。這種氫鍵是生物學家K. Hoogsteen於1959年在研究鹼基對時發現的,故命名為Hoogsteen氫鍵。Hoogsteen氫鍵的形成並不破壞原有鹼基對中的Watson-Crick氫鍵,這樣就形成了含有 三個鹼基的C+GC平面,其中GC之間是以Watson-Crick氫鍵結合,而C+G之間是以Hoogsteen氫鍵結合的。同理,DNA也可以形成TAT的三鹼基平面。當DNA雙鏈中一條鏈的核苷酸序列富含嘌呤時,對應的互補鏈必然是富含嘧啶,它們形成了正常的DNA雙鏈。如果還有一條富含嘧啶的單鏈(其序列與富含嘧啶鏈具有極高的相似度),並且環境條件為酸性時,這條鏈上的嘧啶就會與雙鏈中的嘌呤形成Hoogsteen氫鍵,從而生成了DNA的三鏈結構(triplex)。人們曾經利用這樣的三鏈結構來嘗試着調控基因的表達。根據某些基因的序列特徵(例如富含嘌呤的序列),人們設計了富含嘧啶的寡核苷酸鏈。由於這條寡核苷酸鏈與這一段雙鏈DNA的序列有着鹼基互補關係,它可以嵌入在雙鏈DNA的大溝中形成了三鏈結構,以此於擾調控因子的結合,影響該基因的複製或轉錄。
真核生物染色體3'-端是一段高度重複的富含GT的單鏈,被稱為端粒(telomere), 例如人端粒區的鹼基序列是(TTAGGG)n, 其重複度可達數百乃至上千。作為單鏈結構的端粒,具有較大的柔韌度,可以自身回折形成一個稱為G-四鏈(G-quadruplex)的特殊結構。這個G-四鏈結構的核心是由4個鳥嘌呤通過8對Hoogsteen氫鍵形成的G-平面(tetrad或quartet)。若千個G-平面的堆積使富含鳥嘌呤的重複序列形成了G-四鏈結構。人們推測這種G-四鏈結構是用來保護端粒的完整性。近來,人們還發現某些癌基因的啟動子和mRNA的3'-非翻譯區都有一些富含鳥嘌呤的序列。這些序列可以通過形成特定的G-四鏈結構對基因轉錄和蛋白質合成進行適度的調控。受離子類型、離子濃度、鳥嘌呤G排列順序的影響,富含鳥嘌呤的序列可以形成具有不同拓撲構象的G-四鏈體。

DNA雙鏈經過盤繞摺疊形成緻密的高級結構[編輯]

線性的DNA雙鏈不是一條剛性分子,具有一定程度的柔韌性。一旦發生彎曲,DNA雙鏈就會在其內部產生一定的應力。DNA雙鏈需要形成一種超螺旋結構(superhelix或supercoil), 釋放出這些應力使DNA處在一個低能量的穩定狀態。當盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同時,其超螺旋結構為正超螺旋(positive supercoil) ;反之則為負超螺旋(negative supercoil)。在生物體內,DNA的超螺旋結構是在拓撲異構酶參與下形成的。拓撲異構酶可以改變超螺旋結構的數量和類型。自然條件下的DNA雙鏈主要是以負超螺旋形式存在的,經過一系列的盤繞、摺疊和壓縮後,形成了高度緻密的高級結構。

封閉環狀的DNA具有超螺旋結構[編輯]

絕大部分原核生物的DNA是環狀的雙螺旋分子。在細胞內經過進一步盤繞後,形成了類核(nucleoid)結構。類核佔據了細胞的大部分空間,並通過與蛋白質的相互作用黏附在細胞內壁。在細菌DNA中,不同的DNA區域可以有不同程度的超螺旋結構,超螺旋結構可以相互獨立存在。分析表明,在大腸桿菌的環狀DNA中,平均每200個鹼基就有一個負超螺旋形成。負超螺旋的DNA雙鏈只能以封閉環狀的形式或者在與蛋白質結合的條件下存在,以避免它們之間的相互糾纏。這種負超螺旋形式產生了DNA雙鏈的局部解鏈效應,有助於諸如複製、轉錄等生物過程的進行。
線粒體和葉綠體是真核細胞中含有核外遺傳物質的細胞器。線粒體DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)也是具有封閉環狀的雙螺旋結構。人mtDNA的長度是16569bp, 編碼了37個基因,包括13個蛋白質、2個rRNA和22個tRNA。

真核生物DNA被逐級有序地組裝成高級結構[編輯]

DNA雙鏈經歷摺疊、盤繞形成高度有序和高度緻密染色體的示意圖

人類基因組大約有3×109個鹼基對,這是一條長度約為1.7m的線性大分子。將這樣的一條DNA雙鏈組裝在細胞核內,DNA雙鏈需要進行一系列的盤繞、摺疊和壓縮。在細胞周期的大部分時間裡,細胞核內的DNA以鬆散的染色質(chromatin)形式存在,只有在細胞分裂期間,細胞核內的DNA才形成高度緻密的染色體 (chromosome)。
在電子顯微鏡下觀察到的染色質具有串珠樣的結構。染色質基本組成單位是核小體 (nucleosome), 它是由一段雙鏈DNA和4種鹼性的組蛋白 (histone,簡寫為H)共同構成的。八個組蛋白分子 (H2A×2,H2B×2,H3×2和H4×2)共同形成了一個八聚體的核心組蛋白,長度約146bp的DNA雙鏈在核心組蛋白上盤繞1.75圈,形成核小體的核心顆粒 (core particle)。核心顆粒是尺寸約llnm×6nm的盤狀顆粒。連接相鄰核小體之間的一段DNA稱為連接段DNA(linker DNA), 其長度在0~50bp之間不等,是非組蛋白結合的區域。組蛋白Hl結合在盤繞在核心組蛋白上的DNA雙鏈的進出口處,發揮穩定核小體結構的作用。至此,核小體核心顆粒和DNA雙鏈形成了10nm的串珠狀結構,也稱為染色質纖維。這是DNA在核內形成緻密結構的第一次摺疊,使DNA的長度壓縮了約7倍。
染色質纖維按照左手螺旋方式進一步盤繞捲曲,在組蛋白H1的參與下形成外徑為30nm、內徑為 10nm的中空狀螺線管 (solenoidal)。每個螺旋有6個核小體,組蛋白H1位於螺線管的內側,繼續發揮穩定螺線管的作用。染色質纖維中空狀螺線管的形成與DNA特定區間的轉錄活性相關:正在進行轉錄的區間處在一種明顯的無序狀態之中,組蛋白質H1的數量也較少。染色質纖維中空狀螺線管的形成是DNA在細胞內的第二次摺疊,使DNA的壓縮程度達到約40~60倍。
關於30nm中空狀螺線管如何壓縮成染色體,尚存爭議。目前得到較為廣泛認可的是多級螺線化模型(multiple coiling model)。染色質纖維螺線管的進一步捲曲和摺疊形成了直徑為400nm的超螺線管(supersolenoid) , 這一過程將DNA的長度又壓縮了40倍。之後,超螺線管的再度盤繞和壓縮形成染色單體,在核內組裝成染色體,使DNA長度又壓縮了5~6倍。這樣,在染色體形成的過程中,DNA的長度總共被壓縮了8000~10000倍,從而將近2m長的DNA有效地組裝在直徑只有幾微米的細胞核中。
真核生物染色體有端粒(telomere)和着絲粒(centromere)兩個功能區。端粒是染色體端膨大的粒狀結構,由染色體端DNA(也稱端粒DNA)與DNA結合蛋白共同構成。端粒DNA由簡單重複序列構成,人的端粒DNA的重複序列是TTAGGG,以G-四鏈體的結構存在。端粒在維持染色體結構的穩定性和維持複製過程中的DNA的完整性方面具有重要作用,此外,端粒DNA的結構和穩定性還與衰老及腫瘤的發生發展密切有關。着絲粒是兩個染色單體的連接位點,富含AT序列。細胞分裂時,着絲粒可分開使染色體均等有序地進入子代細胞。

DNA是主要的遺傳物質[編輯]

早在20世紀30年代,人們就已經知道了染色體是遺傳物質,也知道了DNA是染色體的組成部分。但是直到1944年,美國細菌學家0.Avery才首次證明了DNA是細菌性狀的遺傳物質。他們從有莢膜的致病的Ⅲ型肺炎球菌中提取出DNA,它可以使另一種無莢膜的非致病性的Ⅱ型肺炎球菌細胞轉變成了致病菌,而蛋白質和多糖物質沒有這種功能。如果DNA被脫氧核糖核酸酶降解後,則失去轉化功能。但是已經轉化了的細菌,其後代仍保留了合成Ⅲ型莢膜的能力。這些實驗結果證明了DNA是攜帶生物體遺傳信息的物質基礎。1952年,A.Hershey和M.Chase用大腸桿菌噬菌體的DNA進行的性狀表達實驗,進一步確認了DNA是遺傳信息的載體。
生物體的遺傳信息是以基因的形式存在的。基因(gene)是編碼RNA或多肽鏈的DNA片段,即DNA中特定的核甘酸序列。它為DNA複製和RNA生物合成提供了模板。DNA的核苷酸序列以遺傳密碼的方式決定了蛋白質的胺基酸排列順序。依據這一原理,DNA 利用四種鹼基的不同排列編碼了生物體的遺傳信息,並通過複製的方式遺傳給子代。此外,DNA還利用轉錄過程,合成出各種RNA。後者將參與蛋白質的合成,確保細胞內的生命活動的有序進行和遺傳信息的世代相傳。
一個生物體的基因組(genome)是指包含在該生物的 DNA(部分病毒除外)中的全部遺傳信息,即一套染色體中的完整的核苷酸序列。各種生物體基因組的大小、所包含的基因數量和種類都有所不同。一般來講,進化程度越高的生物體,其基因組越大越複雜。簡單生物的基因組僅含有幾千個鹼基對,而高等動物的基因組可高達109鹼基對,使可編碼的信息量大大增加。病毒顆粒的基因組可以由DNA組成,也可以由RNA組成,兩者一般不共存。病毒基因組的DNA和RNA可以是單鏈的,也可以是雙鏈的,可以是環形分子,也可以是線性分子。
DNA是生物體遺傳信息的載體,並為基因複製和轉錄提供了模板。它是生命遺傳的物質基礎,也是個體生命活動的信息基礎。DNA 具有高度穩定性的特點,用來保持生物體系遺傳特徵的相對穩定性。同時,DNA又表現出高度複雜性的特點,它可以發生各種重組和突變,適應環境的變遷,為自然選擇提供機會,使大自然表現出豐富的生物多樣性。