Введение к работе
-^Х
Актуальность проблемы. Принято считать, что ДНК представляет собой двойную спираль, образованную комплементарными антипараллельными цепями. А-, В-и Z-форма ДНК имеют именно такую структуру. Однако, принципы строения двойной спирали ДНК, заложенные в модели Уотсона-Крика и правилах Чаргаффа не исключают возможности существования двойной спирали ДНК с параллельно ориентированными цепями. Выбор в пользу антипараллельной модели был сделан в 1961 году после работы Джоссе и соавт. [Josse, 1961] по анализу частот ближайшего соседствования оснований. Тем не менее, и эта работа не отвергает возможности существования в ряде случаев параллельных спиралей ДНК наряду с каноническими антипараллельными.
я в с о
_ ""*". "'с я'"'с'-- \ *
Я'в'С'О'
Рис. 1 Схемы возможного образования участков параллельной спирали - из антипараллельной двойной ДНК с палиндромным участком (а), из одноцепочечной ДНК с комплементарными участками (б), из двух одноце-почечных ДНК с комплементарными участками (a) [N.B.Ramsing, 1988 J.
Вопрос заключается в том, насколько параллельные спирали ДНК отличаются по своим термодинамическим параметрам от канонических антипараллельных спиралей, и не требуют ли они экзотических условий для существования?
Способность ДНК образовывать параллельные структуры напрямую связана с возможностью существования структур с количеством цепей больше двух - трех- и четырехцепочечных полинуклеотидных комплексов, существование которых в принципе возможно только лишь при условии параллельности отдельных цепей.
Однако, поскольку экспериментальные методы не являются "прямыми" и дают лишь усредненную картину строения ДНК, из имеющихся данных нельзя получить детальную информацию о конформационных возможностях как двойных параллельных спиралей ДНК, так н трех- и четырехцепочечных полинуклеотидных комплексов. Пространственно разрешенные варианты таких структур могут быть получены из модельных построений и конформационных расчетов.
Цель работы заключалась в решении следующих задач:
1. Изучение термодинамики образования структур ДНК с параллельной ориентацией сахарофосфатных остовов.
1-І
-г-
-
Разработка алгоритма, позволяющего производить поиск оптимальных кон-формаций ДНК с произвольной взаимной ориентацией цепей в широком диапазоне параметров спирали.
-
Конформационный анализ регулярных параллельных спиралей ДНК, содержащих симметричные неканонические пары оснований.
-
Конформационный анализ регулярных гетерономных параллельных спиралей ДНК.
5. Конформационный анализ регулярных симметричных четырехцепочечных
спиральных комплексов ДНК.
Научная новизна и практическая ценность. Показано, что двутяжевые олиго-нуклеотидные структуры с параллельной ориентацией цепей существуют в растворе в условиях близких к физиологическим. Изучена тепловая денатурация и рассчитаны термодинамические параметры образования таких структур.
Разработан алгоритм и созданы программы поиска оптимальных конформаний регулярных гомополимерных структур в широких диапазонах параметров спирали. Данный алгоритм позволяет существенно сократить время вычислений и является универсальным для регулярных спиралей. Универсальность заключается в произвольной ориентации как цепей (параллельность или антипараллельность), так и пар оснований относительно направлений сахарофосфатных остовов в изучаемой спирали. В несколько модифицированном виде этот алгоритм может быть использован для поиска оптимальных конформеров трех- и четырехтяжевых спиралей.
Проведен конформационный анализ всех возможных параллельных гомополимерных спиралей ДНК с симметричными неканоническими парами оснований. Показано, что для параллельных спиралей, наряду с конформашюнной областью, характерной.для В-формы ДНК, существует еще одна энергетически выгодная область.
Проведен конформационный анализ регулярных параллельных двойных спиралей poly(dA)«poly(dT), в которых сахарофосфатные остовы разноименных цепей могут иметь разные конформации (гетерономии), для всех возможных типов спаривания оснований. Рассмотрены все варианты ориентации пары оснований, относительно направления сахарофосфатных остовов. Проанализирована зависимость потенциальной энергии от строения пары оснований и ориентации ее в спирали. Показано, что параллельные спирали ДНК обладают энергией близкой к энергии ДНК в В-форме.
Проведен конформационный анализ четырехцепочечных спирален poly(dA)«poly(dT)*po!y(oA)*poly(dT) имеющих ось симметрии. Рассмотрены все возможные варианты строения квадруплектов оснований и взаимной ориентации цепей. Полученные результаты позволяют сделать заключение о энергетичесхой
оправданностн образования четырехцепочечных спиралей ДНК из двух канонических антипараллельных двойных спиралей.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзном рабочем совещании по органической химии дуплексов нуклеиновых кислот (Киев, 1989 г.), на Расширенной научной сессии "Конформации и функции биологических молекул" (Рига, 1989 г.), на Советско-итальянском симпозиуме "Макромолекулы в функционирующей клетке" (Катания, 1990); на Всесоюзной конференции по кон-формациям биополимеров в растворе (Тбилиси, 1990 г.), на Всесоюзных Энгельгар-дтОвских чтениях (Москва, 1990 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.
Структура и объем работы. Дис.ертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 124 страницах, содержит 29 рисунков, 10 таблиц и список литературы насчитывающий 97 наименований.