Section 1 DNA结构多态性

二、DNA的空间结构
(Dimensional Structure of DNA)
大量研究表明，DNA是一种动态分子，它依赖于序列 的碱基组成、外界环境条件和DNA分子的整体拓扑学
性质，可以形成多种变异结构。
（一）DNA的二级结构
1。单链螺旋（-DNA）：
Poly(rC) 或Poly(rA)在酸性条件下一般以双螺旋形式存在； 但在pH=7.0的中性或碱性条件下，形成一种右手的、碱基 堆积的、A构型的单链螺旋。此外PolyG或PolyI在低盐浓 度下也可形成单链螺旋。此类DNA在物化性质和结构特征 与蛋白的肽链相似，因称其为-DNA。 -DNA参数： PolyrC：每核苷酸沿轴上升0.311nm，C3’-endo/anti构象。 PolyrA：螺旋为右手走向，每核苷酸上升0.282nm，构象亦 为A型，每圈9个核苷酸，碱基对轴的倾角为24，反对称 方向彼此平行堆积。
螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆积力；
双 螺 旋 平 均 直 径 =2nm ， 螺 距 =3.4nm ， 每 圈 螺 旋 包 含 10bp
B型双螺旋DNA的结构特征
碱 基 配 对 及 氢 键 形 成
T：A
C：G
2.2 DNA的其它双螺旋构象：
(1) A-DNA： • 相对湿度92% —B 型；相对湿度<75% —A 型DNA • A 型：较宽、短的右手螺旋，碱基倾角19 • 存在：RNA分子双螺旋区、 RNA-DNA杂交链 (2) Z-DNA： • 为左手双螺旋，螺距=4.56nm，每圈12nt。螺旋细长，只 有小沟。 • 磷酸及核糖骨架呈现Z字形走向。 • 必须含G，且嘌呤碱与嘧啶碱基交替出现，盐或有机溶 剂、DNA甲基化，导致B-DNA→Z-DNA • 存在：天然DNA局部区；人工合成寡核苷酸链 (3) C、D、E-型：类似于B 型，属于B-族DNA
大沟
狭、深
小沟
宽、浅
狭、深
狭、深
E S
48 -3.0
0.325 0.363
24.35 7.5 43.4 6
B-族
A-族
（4）P-DNA：
特定的DNA序列在生理条件下可形成由A· T碱基对稳定的 平行双螺旋DNA——P-DNA，其中的两条链呈平行排列。 P-DNA与B-DNA在光谱学、热力学和生物化学性质方面 完全不同，生理条件下相当稳定。但在A· T序列中参入 G· C可降低其稳定性。 P-DNA中的碱基为反式Watson-Crick碱基配对方式： A的N6位胺基H与T的C2酮基O形成氢键；糖环为C2’-内式 G与C之间只产生两个氢键，因此稳定性比Watson-Crick配 对差的多：G的N1位H与T的C2酮基O形成氢键; N2位胺 基H与T的N3形成氢键。
• 核苷的顺式与反式：
顺式（syn）： +90 —0 — -90 反式（anti）： -90 —180 — +90
（三）核苷酸：
核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，形成核苷酸（包括核 糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸） 脱氧核糖核苷酸： 3’和5’两种 核糖核苷酸：2’，3’和5’三种
（四）核酸：
RNA和DNA 核苷酸通过3’和5’磷酸二酯键连接而成。
外形 螺旋方向 螺旋直径 碱基数/圈 螺距 糖环折叠
粗、短 右手 2.55nm
major 11
细长 左手 1.84nm 12 4.56nm
minor
适中 右手 2.37nm 10.4 3.4nm C2’内式 宽、深
minor major
2.46nm
minor C3’内式
嘧啶C2’内式； 嘌呤C3’内式 平坦
第五章 高级核酸生化
Section 1 DNA结构的多态性 （Structural polymorphism of DNA）
一、概述
(Intoduction）
（一）核酸的基本构成：
5种碱基（A、T、C、G、U）和修饰碱基、磷酸、
2种戊糖（RNA中是核糖，DNA中为D-2-脱氧核糖； 均为呋喃型环状；C1的异头碳构型为型） 其它：RNA中存在部分D-2-O-甲基核糖和Man、Gal等 己糖，DNA中有Glc和Man等己糖。但它们不是核酸的
（2） H*-DNA（G：GC）和扭结(nodule) DNA：
在mmol级的Mg 2+和中性条件下，一段多聚嘧啶或嘌呤核苷酸可在分 子内回折产生G:GC配对的分子内DNA，称H*-DNA。
H*-DNA中GC具有镜像对称，而AT具有逆转对称性。
H*-DNA与扭结(nodule) DNA的形成
嘧啶链
• 核糖的构象表示方法示意图：
信封式
扭转式
（二）核苷及其构象表示：
碱基与核糖通过糖苷键缩合，糖苷键全部为型； 糖苷键位置：戊糖的C1’与嘧啶的N1或嘌呤的N9之间
核苷中碱基平面与核糖平面垂直
根据扭转角（嘧啶：O4’-C1’-N1-C4；嘌呤：O4’C1’-N9-C4） 的大小，存在顺式（syn）和反式（anti） 两种主要构象。
嘧啶型
嘌呤型
3.1.1 “嘧啶型”三螺旋DNA：
“嘧啶型”（Py型）三螺旋，或嘧啶-嘌呤-嘧啶 （Y· RY）型三螺旋中，第三条嘧啶链以平行于 Watson-Crick双螺旋中嘌呤链的方向，缠绕到双螺旋 的大沟上；专一性地与嘌呤链结合。例如，典型的 Y· RY型三螺旋T· AT和C+· GC，其专一性体现在T对AT， 质子化的C（ C+）对GC的识别。 这些三螺旋的结构基本单位是嘧啶型三碱基体：T· AT 和C+· GC三螺旋的链3和链2的碱基以两个Hoogsteen氢 键配对，不影响链1和链2间的相互作用。
• 反Hogstee碱基配对：
强：G· GC、A· GC和T· AT 弱：T· 、A· CG GC和C· AT
3.1.3 分子内三链DNA： (1) H-DNA hinged-DNA）:
也称为铰链DNA ，是一种分 子内折叠形成的三股螺旋DNA。 当DNA的一段多聚嘧啶或嘌呤 核苷酸的组成为镜像重复时， 即可在分子内回折产生HDNA。由于在形成分子内三股 螺旋时C需发生质子化过程， 故称为H-DNA。 H-DNA生物功能: 常出现在基因调控区、DNA复 制的起点和终点, 推测与基因 表达调控、DNA复制、染色体 重组有关。 C：GC
分类方式有两种：
一是：根据第三条核苷酸链是以Hoogsteen还是反Hoogsteen氢键配 对方式结合到双螺旋上，可产生至少两种三螺旋的结构类型： “嘧啶型”和“嘌呤型”。 二是：依照形成方式和生物学意义分为：分子内三螺旋DNA（HDNA）、分子间三螺旋DNA和平行三螺旋DNA三类。
• 三股DNA模式：
• P-DNA中反式Watson-Crick碱基配对方式
2.3 DNA双螺旋族形相互转换：
3.三链DNA结构（triplet DNA ） ：
3.1 三股螺旋DNA (triple helices ，triplex)：
寡聚嘧啶核苷酸或寡聚嘌呤核苷酸双螺旋，第三条寡聚嘌呤
或嘧啶核苷酸（位于大沟中）。1963年由Hoogsteen最早描述。
（3）三链DNA与重组： 在DNA重组过程中，RecA蛋白介导的单链交换过程 涉及到平行三链螺旋结构的形成（R-DNA），因此三 链结构是生物体内正常生化过程的产物。 （4）可作为精确切割双螺旋DNA靶序列的分子剪刀： 通过三链DNA的形成，ODN可作为人造限制性内切 酶，专一性精确切割双链DNA，比限制性内切酶的专 一性高106倍。 （5）三链DNA与反基因战略： 正是由于ODN的三螺旋形成能力，因此可作为反义 核酸，用于基因表达的调控过程，或反基因药物。
结合方式：Watson-Crick + Hoogsteen配对
CH3 CH3
O
O
T▪A * A T▪A * T C▪G * C+ C▪G * G
CH3 N N N+ O H H ຫໍສະໝຸດ Baidu O H N N N H
H
N
H H N N N
N
N O
N O
N
H
N
T
H
N
T
H
A
N
H O
|
T▪A * T
N
C+
H
N
C
|
G
第三条链定义为R链，和双螺旋中的一条链（定义为 W-链）相同且平行。
在这种三螺旋中。其对应三碱基体的第三条链上的碱 基位置靠近双螺旋Watson-Crick碱基对的二重轴；从 而与另外两个碱基都发生相互作用。
• R-DNA中的三碱基体：
//////////////////
表示第三个碱基 的异构化位置
3.2 三股辫状DNA：
1990年，白春礼等首次采用扫描隧道显微镜（STM）研究了变性λDNA HindIII的微观结构特征，结果观察到了一种新的三链结构— —三链辫状结构。 在此结构中，3条核苷酸链是彼此穿插而编成辫状结构。其中每条 链的核苷酸在组成上一般是不同型的，它们有间隔重复的嘌呤核苷 酸片段，使之在辫状结构中作为“穿入”片段。 能量分析结果显示，这种辫状结构模型的总能量（-5313.3kJ/mol） 要高于三链螺旋的总能量（-7 275.1kJ/mol），因此，与辫状结构相 比，三链螺旋结构可能较为稳定。 目前对于三链辫状结构是否在生物体内存在，还无法做出任何解释 和回答，但从结构分子生物学角度看，辫状结构模型无疑对于了解 三链的多态性具有积极的作用。
Poly （2‘-methyl-C）
Poly（rA）
• PolyA (rA)双螺旋中质子 化的A+ · +碱基对（右） A 和Poly(rC) 双螺旋中半质 子化的C+· C碱基对（左）
2。DNA双螺旋的多态性：
2.1 B型DNA 模式图
• B型DNA双螺旋的结构特点：
两条反平行链以右手螺旋方向绕同一中心轴缠绕形成右 手反平行双螺旋； 磷酸与脱氧核糖以3’,5’磷酸二酯键相连形成DNA外侧骨 架；碱基在内侧，两条链间存在碱基互补：A与T或G与 C配对形成氢键，称为碱基互补原则（A与T为两个氢键， G与C为三个氢键）； 螺旋有大沟(major groove)和小沟(minor groove)； ；
H
C▪G * C+ C必须质子化
3.1.2 “嘌呤型”三螺旋DNA：
“嘌呤型”（Pu型）或嘌呤-嘌呤-嘧啶型（R· RY）三 螺旋中，第三条嘌呤链以反平行于Watson-Crick双螺 旋嘌呤链的方向缠绕到双螺旋的大沟上，专一性地与 嘌呤链结合。例如，典型的R· RY型三螺旋G· GC和 A· AT；其专一性体现在G对GC、A对AT的识别。 研究发现R· RY型三螺旋（C· AT、A· GC和A· AT等）第 三条嘌呤链和Watson-Crick双螺旋的嘌呤链以两个反Hoogsteen氢键相连接，且糖环的二面角限制在anti区。
骨架成分，而是与碱基侧链连接。
• 核糖的构象表示：
五元呋喃环一般是非平面的，有E和T两类折叠方式。 E（信封式）： 五元环中只有一个C原子偏离平面，一般为 0.05nm） T（扭转式）：C2’和C3’分别以相反的方向偏离平面，其它 三原子共平面）。 endo（内式）：偏离平面的原子与C5’方向相同， exo（外式）：偏离平面的原子与C5’方向相反 书写方法： E式：内式偏离的原子顺序号写在E左上角，右下角为外 式。如C2’-endo简写为2E； C3’-exo写作E3 T式：内式偏离的原子顺序号写在T左上角，左下角为外 式。若两者偏离程度不等，则大的写在T的右侧。如2T3 表示C2’-endo、C3’-exo，且C3’偏离程度大于C2’。
嘌呤链
对核酸酶和化学 探针高度敏 感的单链区
对核酸酶和 化学探 针高度 敏感的 单链区
3.1.4 分子间三螺旋 DNA：
第三条链来自其它分子。
3.1.5 平行三螺旋 DNA（R-DNA）：
在DNA重组时，RecA核蛋白纤维内接合处有3条DNA 链，因而形成三链的同源重组的中间体，这种三链复 合物被称为R-DNA。
• 三股辫状DNA模式图：
B型
3.3 三链DNA功能：
（1）三螺旋结构形成可阻止序列专一的蛋白质接近相同 或邻近的序列： 在质粒中，同型嘧啶与同型嘌呤-嘧啶的结合，阻 止了限制性内切酶的切割/或和甲基化酶的甲基化。 （2）三螺旋结构形成可阻止基因的转录和复制： 早在1988年，Hogan实验室曾用一个长27个nt的富 含嘌呤的寡脱氧核糖核苷酸（ODN），通过形成三链 螺旋DNA的方式，与人c-myc基因转录起始位点上游 115bp的一个双螺旋靶位点结合，抑制RNA 聚合酶II 的转录起始，并在体外观察到Hela细胞核提取物的cmyc基因转录的抑制现象；三螺旋结构还可阻止转录 因子Sp1的结合等。类似的现象在大肠杆菌和SV40病 毒中也有报道。