《生物化學(xué)與分子生物學(xué)》 (二)DNA結(jié)構(gòu)的多態(tài)性

Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)屬于B型雙螺旋，它是以在生理鹽溶液中抽出的DNA纖維在92%相對(duì)濕度下進(jìn)行X－射線衍射圖譜為依據(jù)進(jìn)行推測的，這是DNA分子在水性環(huán)境和生理?xiàng)l件下最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。然而以后的研究表明DNA的結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)的。在以鉀或絕作反離子，相對(duì)濕度為75%時(shí)，DNA分子的X－射線衍射圖給出的是A構(gòu)象，A－DNA每螺旋含11個(gè)堿基對(duì)，而且變成A－DNA后，大溝變窄、變深，小溝變寬、變淺。由于大溝、小溝是DNA行使功能時(shí)蛋白質(zhì)的識(shí)別位點(diǎn)，所以由B－DNA變?yōu)锳－DNA后，蛋白質(zhì)對(duì)DNA分子的識(shí)別也發(fā)生了相應(yīng)變化。

一般說來，A－T豐富的DNA片段常呈B－DNA。采用乙醇沉淀法純化DNA時(shí)，整個(gè)過程中，大部分DNA由B－DNA經(jīng)過C－DNA，最終變構(gòu)為A－DNA。若DNA雙鏈中一條鏈被相應(yīng)的RNA鏈所替換，會(huì)變構(gòu)成A－DNA。當(dāng)DNA處于轉(zhuǎn)錄狀態(tài)時(shí)，DNA模板鏈與由它轉(zhuǎn)錄所得的RNA鏈間形成的雙鏈就是A－DNA。由此可見A－DNA構(gòu)象對(duì)基因表達(dá)有重要意義。此外，B－DNA雙鏈都被RNA鏈所取代而得到由兩條RNA鏈組成的雙螺旋結(jié)構(gòu)也是A－DNA。除A－DNA、B－DNA螺旋外，還存在B′－DNA、C－DNA、D－DNA等，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表15－4。

表15-4　不同右手雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)參數(shù)

雙螺旋堿基傾堿基夾堿基間距螺距每輪堿小溝寬／nm×大溝寬nm×角／（°）角（°）/nm／nm基數(shù)小溝寬nm大溝寬nmB-DNA36.00.3373.4100.57×0.751.17×0.85C-DNA638.00.3313.19.30.48×0.791.05×0.75D-DNA45.00.3030.13×0.670.89×0.58A-DAN2032.70.2562.8111.10×0.280.27×1.35

總之，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)永遠(yuǎn)處于動(dòng)態(tài)平衡中，DNA分子構(gòu)象的變化與糖基和堿基之間空間相對(duì)位置有關(guān)。

1979年，Wang和Rich等人在研究人工合成的CGCGCG單晶的X-射線衍射圖譜時(shí)出人意料地發(fā)現(xiàn)這種六聚體的構(gòu)象與上面講到的完全不同。它是左手雙螺旋，與右手螺旋的不同是螺距延長(4.5nm左右)，直徑變窄(1.8nm)，每個(gè)螺旋含12個(gè)堿基對(duì)，分子長鏈中磷原子不是平滑延伸而是鋸齒形排列，有如“之”字形一樣，因此叫它Z構(gòu)象(英文字Zigzag的第一個(gè)字母)。還有，這一構(gòu)象中的重復(fù)單位是二核苷酸而不是單核苷酸；而且ZDNA只有一個(gè)螺旋溝，它相當(dāng)于B構(gòu)象中的小溝，它狹而深，大溝則不復(fù)存在(圖15-7)。進(jìn)一步的分析還證明，Z－DNA的形成是DNA單鏈上出現(xiàn)嘌呤與嘧啶交替排列所成的。比如CGCGCGCG或者CACACACA。

圖15－7　Z－DNA和B－DNA

Z－DNA有什么生物學(xué)意義呢?應(yīng)當(dāng)指出Z－DNA的形成通常在熱力學(xué)上是不利的。因?yàn)閆－DNA中帶負(fù)電荷的磷酸根距離太近了，這會(huì)產(chǎn)生靜電排斥。但是，DNA鏈的局部不穩(wěn)定區(qū)的存在就成為潛在的解鏈位點(diǎn)。DNA解螺旋卻是DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等過程中必要的環(huán)節(jié)，因此認(rèn)為這一結(jié)構(gòu)與基因調(diào)節(jié)有關(guān)。比如SV40增強(qiáng)子區(qū)中就有此結(jié)構(gòu)，又如鼠類微小病毒DNS復(fù)制區(qū)起始點(diǎn)附近有GC交替排列序列。此外，DNA螺旋上溝的特征在其信息表達(dá)過程中起關(guān)鍵作用。調(diào)控蛋白都是通過其分子上特定的氨基酸側(cè)鏈與DNA雙螺旋溝中的堿基對(duì)一側(cè)的氫原子供體或受體相互作用，形成氫鍵從而識(shí)別DNA上的遺傳信息的。大溝所帶的遺傳信息比小溝多。溝的寬窄和深淺也直接影響到調(diào)控蛋白質(zhì)對(duì)DNA信息的識(shí)別。ZDNA中大溝消失，小溝狹而深，使調(diào)控蛋白識(shí)別方式也發(fā)生變化。這些都暗示ZDNA的存在不僅僅是由于DNA中出現(xiàn)嘌呤一啶嘧交替排列之結(jié)果，也一定是在漫漫的進(jìn)化長河中對(duì)DNA序列與結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整與篩選的結(jié)果，有其內(nèi)在而深刻的含意，只是人們還未充分認(rèn)識(shí)而已。

DNA構(gòu)象的可變性，或者說DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的多態(tài)性的發(fā)現(xiàn)拓寬了人們的視野。原來，生物體中最為穩(wěn)定的遺傳物質(zhì)也可以采用不同的姿態(tài)來實(shí)現(xiàn)其豐富多采的生物學(xué)功能。

多年來，DNA結(jié)構(gòu)的研究手段主要是X射線衍射技術(shù)，其結(jié)果是通過間接觀測多個(gè)DNA分子有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的平均值而獲得的。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)的樣品分析條件使被測DNA分子與天然狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)。因此，在反映DNA結(jié)構(gòu)真實(shí)性方面這種方法存在著缺陷。1989年，應(yīng)用掃描隧道顯微鏡(scanning tummelingmicroscopy,STM)研究DNA結(jié)構(gòu)克服了上述技術(shù)的缺陷。這種先進(jìn)的顯微技術(shù)，不僅可將被測物放大500萬倍，且能直接觀測接近天然條件下單個(gè)DNA分子的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。STM技術(shù)的應(yīng)用是DNA結(jié)構(gòu)研究中的重要進(jìn)展，可望在探索DNA結(jié)構(gòu)的某些未知點(diǎn)上展示巨大潛力。