错配核酸的研究进展

股螺旋中 [ 12] 。对某些碱基, 可以形成四螺旋[ 13—15] 。 有趣的是, 两个完全相同的碱基对可以在大沟位置 发生作用[ 16] 。 这种作用方式是形成四螺旋结构的基 础, 在同源重组中起着重要作用 2. 常见的几种错配形式 ( 1) 嘌呤∶嘧啶配对 在 RNA 三维 结 构 中, 除 了 W at sonCrick 配 对, 最常见的为 G ∶U 错配, 占非 Wat son Crick 配 对的 50% [ 18] , 核磁共振及分子模拟表明, G ∶U 配 对有两种不同的成键模式 , r ( GGCGUGCC) 2 中 的 G ∶U 形成一个氢键 , 而在 r ( GAGUGCUC ) 2 中 形成两个氢键。该错配由 Crick 首先提出以解释密 码子的简并性。 G ∶U 错配出现频率如此之高 , 表明 它并不仅仅是 Wat son-Crick 配对的替代物, 而且具 有重要的生物功能。近来 G ∶U 错配的许多生物功 能已经被认识到。其中最显著的是 Group I intr ons 中 P1 螺旋的 G ∶U 错配。它使得 Gro up I intr ons 催化中心的四级结构易于形成并通过水分子桥联或
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。 骨架构型的变化导致 GpA
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P 共振向低场位移。 奇怪的是 , 这种类型的构型变化 只存在于 Py ( GA) Pu 序列的 G ∶A 配对 , 在 A pG, ApA 或 GpG 序列中并不存在。 在 RNA 双螺旋 r ( CGCGAA UUAGCG ) 中, 也
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化 学 进 展
第 14 卷
尽管如此 , 生物体内仍有许多未被完全修复的 错配, 任何形式的复制错误均会导致子系 DNA 分 子的诱变, 可能引发致命的癌症和基因病。 结构决定 性质, 对含不同损伤的双螺旋结构的分析及热力学 性质的测定, 将促进对诱变机理的了解以及对错配 修复机理的认识 , 并为合理设计新的人工修复酶提 供理论指导。目前这些错配体系的识别及修复已成 为众目关注的焦点, 许多课题组已致力于研究这类 错配 DNA 和 RNA 的结构及生物物理特性和生物 应用, 主要的研究方法有晶体学、 核磁共振法、 紫外 熔点测定法以及分子模拟。 本文将对这方面的 DNA 研究做一简要综述。
一、引 言
随着科学研究的不断扩展和深入 , 科研技术水 平的不断提高 , 核酸结构和构型的多样性也逐渐被 人们所发现和了解。 碱基修饰 、 碱基错配 等引起 的破坏已经使 DNA 失去了往日美丽的标准双螺旋 构型。 另外, 由链的弯曲及沟宽度的改变造成的螺旋 结构的变形 , DNA 三螺旋[ 3] , 四螺旋 [ 4] , 平行的双股 螺旋 , 两条链相互插入的双股螺旋及发夹结构 等也日益被人们所认识 , 这些研究对进一步了解药 物及蛋白质与 DNA 的作用具有重要意义。 具有 G ∶C 和 A ∶T W at sonCrick 碱基配对的 表达和稳定传递的 DNA 双股螺旋是遗传信息储存、 重要载体。这一特异性配对方式有利于核酸结构的 稳定, 大沟小沟中官能团的分布有利于蛋白酶、 金属
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, 在 5S
G ∶ T 配 对 呈 Wobble 构 型[ 27] , 嘌 呤 位 移 至 DNA 小沟 , 嘧啶位于大沟 , 碱基间形成两个氢键( 图 1a ) , 溶剂分子分别从大沟小沟有序地桥联碱基, 使 这种错配更加稳定。目前, 39 个含 G ∶T 配对的寡 [ 28] 聚核苷酸的热力学性质已由 UV 光谱测得 。 结果 表明在 RNA 中的 G ∶ U 错配及 DNA 中的 G ∶T 错配都能形成稳定的 Wobble 碱基配对, 其稳定性 几乎 与 Watson-Crick 配对 的 A ∶ U 及 A ∶ T 相 当[ 29] 。 肌苷 I 也是一个重要的核苷, 由鸟苷 G 切除 2 位胺基得到。在 tRNA 中经常发现有它和 A , C , U 配对 , 而且这些配对都会引起基因密码的改变。 I ∶ T 配对 与 G ∶T 类似, 但是由于小沟中没有 N 2, 使得水分子不能桥联碱基间的官能团, 稳定型较差。 A 及 N1 质子化的 A + 均能与 C 配对, 形成两个 氢键 ( 图 1b, 1c) 。溶剂分子从大沟处连接碱基而使 其稳定
收稿 : 2001 年 4 月 , 收修改稿 : 2001 年 10 月 * 通讯联系人 em ail: y ang pin@ sx u. edu. cn
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用 。为了使遗传信息准确地传给下一代, DNA 复 制必须具有极高的精确性。然而 , 人类基因大约含 109 碱基对 , 任何对 DNA 物理或化学的破坏都会影 响双螺旋结构的完整性, 导致在 DNA 复制过程中 的碱基错配或误配, 非配对碱基及链的断裂[ 7] 。 除了 由复制酶引发的标准碱基间的错配外, 化学修饰或 离子化的非标准碱基间的异常配对也时有发生 。 如果这些非 Wat son Crick 配对的损伤不能被完全 修复或被错误修复, 将引起子体 DNA 发生诱变。所 以生物体内这样的错误是不允许的。蛋白质识别修 复系统在维持 DNA 精确复 制中发挥 很重要的 作 用[ 8] 。由于大多数错配都有使双螺旋骨架扭曲去稳 定而解旋的作用, 修复酶利用这一物理特性识别错 误的碱基配对 。
Progress of the Nucleic Acid with the Mismatched Base Pairs
Chen H uil i Yang Pin ( Inst it ut e of M olecular Science , Shanxi Univer sit y , T aiyuan 030006, China ) Abstract T he st ruct ure and t her modynam ics of t he m ismat ched nucleic acids w ere int ro duct ed. T he current research on t he nucleic acids w ith t he mism atched base pairs w ere review ed. All o f t hese w ork are go od f or elucidat ing t he recog nit ion and repair mechanisms for mism at ched nucleic acids, as w ell as predict ing t he secondar y str ut ures. T he st udies pr ovide a solid base and diverse strat egies t o carry out the design and sy nt hesis of t he new r epair enzymes f or nucleic acids. Key words st ruct ure of nucleic acid ; m ismat ched-base pairs; recog nit ion ; repair 离子以及具有生物功能的金属配合物与 DNA 的作
+
分布有利于酶的识别 。 在 tRNA 中也经常发现有 G ∶ U 配对 , 这有 利于 关联 合成酶 对 t RNA 的 识
[ 23] 别[ 22] 。 G ∶U 错配对 RNA 的编译也有重要贡献 ,
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使得已经过编译的 g RNA m RNA 容易分开而进行 相邻 Grna 的编译。在 Z 型六聚体中也发现了 G ∶ Br U 和 G ∶ F U ( U 的 5 位为 Br 或 F ) [ 26] Rrna 中也有 Wo bble 的 G ∶U 配对 。
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。 由能量计算 , 不同 pH 溶液中的 NMR 及
第2 期
除绘丽等 错配核酸的研究进展
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极有可能形成另外的 G ∶ A 构型。 Wilson 及其合作者发现富含嘌呤的寡聚核苷 酸能与自身配对形成双螺旋, 与正常互补链形成的 双螺旋有相似的稳定性[ 45] , 这一发现证实了 G ∶ A 错配确实存在并具有惊人的稳定性。用肌苷代替鸟 苷, 结 合 NM R 研 究 表 明 该 错 配 G ( N2H ) 与 A ( N7) , G( N3) 与 A( N 6H) 形成氢键, 这一成键模式 既不同于 Wat son-Crick 配对, 也 不同于 肩并肩 的 [ 46] W obble 模式 , 而是剪式 ( sheared ) 的 G ∶ A 配对 ( 如图 2d ) 。通过比较正常 B 型 DNA 与剪式 G ∶A 配对的 DNA 构型, 发现后者的骨架有两个扭结, 这 是由于剪式 G ∶ A 配对使得 GpA 磷酸二脂键从 B I 构型转变为 B II构型
第 14 卷 第 2 期 2002 年 3 月
化 学 进 展
P ROGRESS IN CHEM IST RY
Vol . 14 No. 2 M ar. , 2002
错配核酸的研究进展
陈绘丽 杨 频*
( 山西大学分子科学研究所 太原 030006) 摘 要 本文通过介绍多种错配核酸的结构及其热力学性质 , 详细地描述了非 Wat son-Crick 配对核酸 的最新进展。 这方面的研究有利于阐明生物体内错配核酸的识别修复机理及核酸二级结构的预测, 并为合理 设计新的人工核酸修复酶提供了理论基础。 关键词 核酸结构 碱基错配 识别 修复 中图分类号: Q52 文献标识码 : A 文章编号 : 1005-281X( 2002) 02-013308
2+ [ 20] 另外, 特殊的 Wobble M g 稳定核糖酶的过渡态 。 配对形成的螺旋立体结构, 如大沟小沟中官能团的 [ 19] [ 17]
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二、错配核酸的研究进展
1. 错配理论的提出 错配理论首先由 Wat so n-Crick 提出, 最初他们 认为标准的碱基 配对只有酮式和胺式 , 随着 DNA 双螺旋构型的提出, 他们认为碱基从酮式转变为醇 式 , 从胺基转变为亚胺基的互变异构性是引发诱变 的主要因素。这些互变异构体可以形成 A ∶C 和 G ∶T 配对 , 其立体结构与标准的 Watson -Crick 配对 相 似。之 后, 人 们做了 大量的 工作研 究诱变 的机 理[ 10 ] , 却发 现引发诱 变的最主 要错配是 G ∶ T 和 A ∶C 的 Wobble 配对 , 而非碱基的互变异构体配 对。许 多含错 配的 DNA 晶体 结构也 证明了 这一 点[ 11 ] 。 其实 , 在生命体系中, G ∶ C, A ∶ T ( 或 A ∶U ) Wat son-Crick 配对与非 Wat son-Crick 配对之间存 在着竞争。 不考虑 pH 影响及碱基的定向, 仍有 8 种 可 能的错 配, 分别 为嘌呤∶ 嘧啶错 配 G ∶ T ( G ∶ U ) , A ∶C; 嘌呤∶嘌呤错配 G ∶ G, A ∶ A 和 G ∶ A ; 嘧啶∶ 嘧啶错配 C ∶ C , T ∶T ( U ∶ U ) 和 C ∶ T ( C ∶ U) 。这些配对是 DNA 复制过程中最普遍的误 配之一。晶体学及 NM R 技术已 提供了大 量错配 DNA 详细的结构信息 , 即碱基间的氢键模式 , 相邻 碱基对错配稳定性的影响等等。碱基间形成氢键的 方式有很多种。除了标准的 Wat son-Crick 配对 , 最 重要的是 Ho ogst een 和反 Hoog st een 配对。这种成 键模式广泛存在于三螺旋聚合体中 , 嘌呤或嘧啶与 嘌呤上未参与 Wat sonCrick 配对的基团键合( 对鸟 苷为 N 7 和 O 6, 对腺苷为 N 7 和 N 6) , 这一配对模式 解 释 了 在 三 聚 体 中 Watson -Crick 配 对 可 以 与 Hoog st een 或反 Hoog st een 配对共存的原因。碱基 间也可以形成反 Wat son-Crick 配对 , 常见于顺式双