Czwartorzędowa struktura kwasu nukleinowego

Interaktywny obraz struktury kwasu nukleinowego (pierwotny, drugorzędowy, trzeciorzędowy i czwartorzędowy) przy użyciu helis DNA i przykładów z rybozymu VS oraz telomerazy i nukleosomu . (​)

DNA zwija się i zwija wokół białek histonowych, aby skondensować się w chromatynę.

Czwartorzędowa struktura kwasu nukleinowego odnosi się do interakcji między oddzielnymi cząsteczkami kwasu nukleinowego lub między cząsteczkami kwasu nukleinowego a białkami . Koncepcja jest analogiczna do struktury czwartorzędowej białka , ale ponieważ analogia nie jest doskonała, termin ten jest używany w odniesieniu do wielu różnych koncepcji kwasów nukleinowych i jest rzadziej spotykany. Podobnie inne biomolekuły , takie jak białka , kwasy nukleinowe mają cztery poziomy uporządkowania strukturalnego: pierwszorzędowy , drugorzędowy , trzeciorzędowa i czwartorzędowa struktura . Struktura pierwszorzędowa to liniowa sekwencja nukleotydów , struktura drugorzędowa obejmuje małe lokalne motywy fałdowania, a struktura trzeciorzędowa to trójwymiarowy złożony kształt cząsteczki kwasu nukleinowego. Ogólnie struktura czwartorzędowa odnosi się do interakcji 3D między wieloma podjednostkami . W przypadku kwasów nukleinowych struktura czwartorzędowa odnosi się do interakcji między wieloma cząsteczkami kwasów nukleinowych lub między kwasami nukleinowymi a białkami. Czwartorzędowa struktura kwasu nukleinowego jest ważna dla zrozumienia DNA , RNA i ekspresję genów , ponieważ struktura czwartorzędowa może wpływać na funkcję. Na przykład, gdy DNA jest upakowane w chromatynie , wykazując tym samym typ struktury czwartorzędowej, transkrypcja genów zostanie zahamowana.

DNA

Czwartorzędowa struktura DNA odnosi się do wiązania DNA z histonami w celu utworzenia nukleosomów , a następnie ich organizacji we włókna chromatyny wyższego rzędu. Czwartorzędowa struktura DNA silnie wpływa na dostępność sekwencji DNA dla maszynerii transkrypcyjnej do ekspresji genów. Czwartorzędowa struktura DNA zmienia się w czasie, ponieważ regiony DNA są skondensowane lub narażone na transkrypcję. Termin ten był również używany do opisania hierarchicznego montażu bloków budulcowych sztucznego kwasu nukleinowego Nanotechnologia DNA .

Czwartorzędowa struktura DNA odnosi się do tworzenia chromatyny. Ponieważ ludzki genom jest tak duży, DNA musi być skondensowane do chromatyny, która składa się z powtarzających się jednostek zwanych nukleosomami . Nukleosomy zawierają DNA i białka zwane histonami . Rdzeń nukleosomu zwykle zawiera około 146 par zasad DNA owiniętych wokół oktameru histonowego . Oktamer histonowy składa się z ośmiu całkowitych białek histonowych, po dwa z każdego z następujących białek: H2A, H2B, H3 i H4. Histony są przede wszystkim odpowiedzialne za kształtowanie nukleosomów, a zatem drastycznie przyczyniają się do struktury chromatyny. Białka histonowe są naładowane dodatnio i dlatego mogą oddziaływać z ujemnie naładowanym szkieletem fosforanowym DNA. Jedna część rdzeniowych białek histonowych, znana jako domeny ogona histonowego, jest niezwykle ważna dla utrzymywania ciasnego owinięcia nukleosomu i nadania nukleosomowi drugorzędowej i trzeciorzędowej struktury. Dzieje się tak, ponieważ domeny ogona histonów biorą udział w interakcjach między nukleosomami. Histon łącznikowy, czyli białko H1, jest również zaangażowany w utrzymanie struktury nukleosomu. Białko H1 ma szczególną rolę w zapewnieniu, że DNA pozostaje ciasno nawinięte.

Modyfikacje białek histonowych i ich DNA są klasyfikowane jako struktura czwartorzędowa. Skondensowana chromatyna, heterochromatyna , zapobiega transkrypcji genów. Innymi słowy, czynniki transkrypcyjne nie mają dostępu do zranionego DNA - w przeciwieństwie do euchromatyny , która jest zdekondensowana, a zatem łatwo dostępna dla maszynerii transkrypcyjnej. Metylacja DNA do nukleotydów wpływa na czwartorzędową strukturę chromatyny. Wysoce metylowane nukleotydy DNA częściej występują w heterochromatynie, podczas gdy niemetylowane nukleotydy DNA są powszechne w euchromatynie. Co więcej, w domenach ogona histonowego rdzenia można wprowadzić modyfikacje potranslacyjne, które prowadzą do zmian w czwartorzędowej strukturze DNA, a tym samym w ekspresji genów. Enzymy , znani jako epigenetyczni pisarze i epigenetyczne gumki, katalizują dodanie lub usunięcie kilku modyfikacji domen ogona histonów. Na przykład autor enzymów może metylować lizynę-9 białka rdzeniowego H3, które znajduje się w domenie ogona histonu H3. Może to prowadzić do represji genów, ponieważ chromatyna ulega przebudowie i przypomina heterochromatynę. Jednak w domenach ogona histonów można wprowadzić dziesiątki modyfikacji. Dlatego to suma wszystkich tych modyfikacji decyduje o tym, czy chromatyna będzie przypominać heterochromatynę czy euchromatynę.

Trójwymiarowy motyw składania znany jako całująca się pętla. Na tym diagramie dwa modele pętli całowania są nałożone, aby pokazać podobieństwa strukturalne. Biały kręgosłup i różowe podstawy pochodzą od B. subtilis , a szary kręgosłup i niebieskie podstawy pochodzą od V. vulnificus .

Interakcja z motywem drugorzędnym

RNA

RNA dzieli się na wiele kategorii, w tym informacyjne RNA ( mRNA ), rybosomalne RNA ( rRNA ), transferowe RNA ( tRNA ), długie niekodujące RNA ( lncRNA ) i kilka innych małych funkcjonalnych RNA. Podczas gdy wiele białek ma strukturę czwartorzędową, większość cząsteczek RNA ma tylko strukturę od pierwszorzędowej do trzeciorzędowej i funkcjonuje jako pojedyncze cząsteczki, a nie jako struktury składające się z wielu podjednostek. Niektóre typy RNA wykazują wyraźną strukturę czwartorzędową, która jest niezbędna do funkcjonowania, podczas gdy inne typy RNA funkcjonują jako pojedyncze cząsteczki i nie łączą się z innymi cząsteczkami, tworząc struktury czwartorzędowe. Symetryczne kompleksy Cząsteczki RNA są niezwykle rzadkie w porównaniu z oligomerami białek . Jednym z przykładów homodimeru RNA jest rybozym VS z Neurospora , z dwoma miejscami aktywnymi składającymi się z nukleotydów z obu monomerów. Najbardziej znanym przykładem RNA tworzącego czwartorzędowe struktury z białkami jest rybosom , który składa się z wielu rRNA wspieranych przez rBiałka . Podobne kompleksy RNA-białko znajdują się również w spliceosomie .

Przełączniki rybne

Przełączniki rybne to rodzaj struktury mRNA, która pomaga regulować ekspresję genów i często wiąże różnorodny zestaw ligandów . Przełączniki rybne określają, w jaki sposób ekspresja genów reaguje na różne stężenia małych cząsteczek w komórce Motyw ten zaobserwowano w mononukleotydzie flawinowym (FMN), cyklicznym di-AMP (c-di-AMP) i glicynie . Mówi się, że przełączniki rybne wykazują strukturę pseudoczwartorzędową. Kilka strukturalnie podobnych regionów pojedynczej cząsteczki RNA składa się symetrycznie. Ponieważ ta struktura powstaje z pojedynczej cząsteczki, a nie z wielu oddzielnych cząsteczek, nie można jej nazwać prawdziwą strukturą czwartorzędową. W zależności od tego, gdzie wiąże się ryboprzełącznik i jak jest ułożony, może tłumić lub umożliwiać ekspresję genu. Symetria jest ważną częścią trójwymiarowych konfiguracji biomolekularnych. Wiele białek jest symetrycznych na poziomie struktury czwartorzędowej, ale RNA rzadko mają symetryczne struktury czwartorzędowe. Chociaż struktura trzeciorzędowa jest zmienna i niezbędna dla wszystkich typów RNA, oligimeryzacja RNA jest stosunkowo rzadka.

rRNA

Rybosomy , organelle do translacji białek , są zbudowane z rRNA i białek. Rybosomy mogą być najlepszym i najliczniejszym przykładem czwartorzędowej struktury kwasu nukleinowego. Specyfika struktury rybosomów jest różna w różnych królestwach i gatunkach, ale wszystkie rybosomy składają się z dużej podjednostki i małej jednostki. Różne klasy organizmów mają podjednostki rybosomalne o różnych charakterystycznych rozmiarach. Trójwymiarowe powiązanie podjednostek rybosomów jest niezbędne dla funkcjonowania rybosomów. Mała podjednostka wiąże się najpierw z mRNA, a następnie rekrutowana jest duża podjednostka. Aby za polipeptyd aby powstał, musi nastąpić odpowiednie połączenie mRNA i obu podjednostek rybosomu. Po lewej drugorzędowa struktura rRNA w centrum peptydylotransferazy rybosomu drożdży. Centrum peptydylotransferazy to miejsce, w którym podczas translacji katalizowane jest tworzenie wiązania peptydowego. Po prawej trójwymiarowa struktura centrum peptydylotransferazy. Helikalny rRNA jest związany z kulistymi białkami rybosomalnymi. Przychodzące kodony docierają do miejsca A i przechodzą do miejsca P, gdzie katalizowane jest tworzenie wiązań peptydowych. Jedną specyficzną trójwymiarową strukturą, która jest powszechnie obserwowana w rRNA, jest motyw a-moll. Istnieją cztery rodzaje motywów a-moll, z których wszystkie zawierają wiele niesparowanych adenozyny . Te samotne adenozyny rozciągają się na zewnątrz i umożliwiają cząsteczkom RNA wiązanie innych kwasów nukleinowych w mniejszym rowku .

tRNA

Chociaż w tRNA zaobserwowano konsensusowe struktury drugorzędowe i trzeciorzędowe, jak dotąd nie ma dowodów na to, że tRNA tworzą strukturę czwartorzędową. Warto zauważyć, że dzięki obrazowaniu w wysokiej rozdzielczości zaobserwowano, że tRNA oddziałuje z czwartorzędową strukturą bakteryjnego rybosomu 70S i innych białek.

Inne małe RNA

pRNA

Bakteriofag φ29 prohead RNA ( pRNA ) ma zdolność tworzenia struktury czwartorzędowej. pRNA może tworzyć strukturę czwartorzędową poprzez oligimeryzację w celu utworzenia kapsydu , który otacza genomowy DNA bakteriofaga. Kilka cząsteczek pRNA otacza genom, a poprzez interakcje układania w stosy i parowania zasad pRNA otaczają i chronią DNA. krystalograficzne pokazują, że pRNA tworzy pierścienie tetrameryczne, chociaż struktury krio-EM sugerują, że pRNA może również tworzyć pierścienie pentameryczne.

Motyw pętli całowania

W tym modelu, opartym na metylotransferazie wirusa dengi, cztery monomery metylotransferazy otaczają dwa oktamery RNA. Asocjacje kwasów nukleinowych wykazują motyw całującej się pętli. Trójwymiarowy motyw składania znany jako całująca się pętla. Na tym diagramie dwa modele pętli całowania są nałożone, aby pokazać podobieństwa strukturalne. Biały kręgosłup i różowe podstawy pochodzą od B. subtilis , a szary kręgosłup i niebieskie podstawy pochodzą od V. vulnificus .

Motyw całującej się pętli zaobserwowano w retrowirusach i RNA kodowanych przez plazmidy . Określenie liczby całujących się pętli tworzących kapsyd waha się od 5 do 6. Wykazano, że pięć całujących się pętli ma większą stabilność ze względu na szczególną symetrię, jaką zapewnia struktura 5 całujących się pętli.

Mały jądrowy RNA

Małe jądrowe RNA ( snRNA ) łączy się z białkami, tworząc spliceosom w jądrze . Spliceosom jest odpowiedzialny za wykrywanie i wycinanie intronów z pre-mRNA , co jest jednym z pierwszych etapów przetwarzania mRNA . Spliceosom jest dużym makrocząsteczkowym . Struktura czwartorzędowa umożliwia snRNA wykrywanie sekwencji mRNA, które należy wyciąć.