ADN Z

Estrutura do ADN Z. Proteopedia Z-DNA

O ADN Z (ou Z-DNA) é unha das posibles estruturas da dobre hélice do ADN. É unha estrutura levoxira en dobre hélice, xa que o eixe da dobre hélice xira á esquerda nun patrón en zigzag (en vez de á dereita como na forma máis común ADN B, que é dextroxira). Crese que o ADN Z é unha das tres estruturas bioloxicamente activas do ADN, xunto co ADN B e o ADN A.

Historia

O ADN levoxiro foi descuberto por Robert Wells e colegas, durante os seus estudos sobre un polímero repetitivo de inosina-citosina.^[1] Observaron que este ADN tiña un espectro de dicroísmo circular "inverso", e interpretaron isto (correctamente) como que significaba que as febras se trenzaban unha arredor da outra en sentido levoxiro (xirando cara á esquerda). A relación entre o ADN Z e o máis común ADN B esclareceuse cos traballos de Pohl e Jovin,^[2] que mostraron que o dicroísmo circular ultravioleta da poli(dG-dC) estaba case invertido en solución de cloruro sódico 4 M. A sospeita de que isto era o resultado dunha conversión do ADN B a ADN Z foi confirmada ao examinar o espectro raman destas solucións e os cristais de ADN Z.^[3] Seguidamente publicouse unha estrutura cristalina do ADN Z, que foi a primeira estrutura de raios X de cristal único dun fragmento de ADN (un hexámero de ADN autocomplementario d(CG)₃). Foi resolta como unha dobre hélice levoxira con dúas cadeas antiparalelas que se mantiñan unidas por pares de bases de Watson e Crick. Resolveuse en 1979 grazas aos traballos de Andrew Wang, Alexander Rich, e colaboradores no MIT.^[4] A cristalización da unión do ADN B e ADN Z en 2005^[5] proporcionou unha mellor comprensión do papel potencial que xoga o ADN Z nas células. Sempre que se forma un segmento de ADN Z no ADN, debe ter unións B-Z nos seus dous extremos, que serven de interface co ADN en forma B que se atopa no resto do xenoma.

En 2007, describiuse a versión en ARN do ADN Z, chamada ARN Z (ou Z-RNA) como unha versión transformada da dobre hélice do ARN A (ou A-RNA) en hélice levoxira.^[6] Porén, a transición desde o ARN A ao ARN Z fora descrita xa en 1984.^[7]

Estrutura

Zona de unión dos ADN B/Z unida a un dominio proteico de unión ao ADN Z. Nótese as dúas bases que sobresaen (extrusión) salientadas. De PDB 2ACJ.

O ADN Z é bastante diferente das formas dextroxiras. De feito, o ADN Z compárase a miúdo co ADN B para ilustrar as principais diferenzas. A hélice de ADN Z é levoxira e ten unha estrutura que se repite cada 2 pares de bases. Os sucos maior e menor, a diferenza do que ocorre nos ADN A e B, mostran pouca diferenza de largura. A formación desta estrutura é xeralmente desfavorable, aínda que certas condicións poden promovela; como secuencias nas que hai alternancia purina-pirimidina (especialmente poli(dGC)₂), o superenrolamento do ADN negativo ou alta concentración de sal e algúns catións (todo a temperatura fisiolóxica de 37 °C, e a pH 7,3-7,4). O ADN Z pode formar unha zona de unión co ADN B (chamada "caixa da unión de B a Z") nunha estrutura que implica a extrusión dun par de bases.^[8] A conformación ADN Z foi difícil de estudar porque non existe como característica estable da dobre hélice, senón que é unha estrutura transitoria que é inducida ocasionalmente pola actividade bioloóxica e despois desaparece rapidamente.^[9]

Estrutura en ADN Z predita

É posible predicir a probabilidade de que unha secuencia de ADN forme a estrutura ADN Z. Existe un algoritmo para predicir a propensión do ADN de cambiar da forma B á forma Z chamado ZHunt, que foi escrito polo Dr. P. Shing Ho en 1984 (no MIT).^[10] Este algoritmo desenvolvérono despois Tracy Camp, P. Christoph Champ, Sandor Maurice, e Jeffrey M. Vargason para o mapado de ADN Z en xenomas completos (con P. Shing Ho como principal investigador).^[11]

O algoritmo Z-Hunt está dispoñible en Z-Hunt online.

Significado biolóxico

Aínda que non se encontrou de forma clara e definitiva ningunha importancia biolóxica ao ADN Z, crese comunmente que proporciona un alivio da forza torsional (superenrolamento) durante a transcrición do ADN.^[5][12] O potencial para formar unha estrutura de tipo ADN Z tamén se correlaciona con rexións en transcrición activa. Unha comparación entre rexións cunha alta propensión predita dependente de secuencia a formar ADN Z no cromosoma 22 humano cun conxunto seleccionado de sitios de transcrición de xenes coñecidos suxire que hai unha correlación.^[11]

O efecto tóxico do bromuro de etidio sobre os protozoos tripanosomas é causado polo cambio do seu ADN do cinetoplasto á forma Z. O cambio é causado pola intercalación de bromuro de etidio e o subseguinte afrouxamento da estrutura do ADN que orixina o desenrolamento do ADN, o cambio á forma Z e a inhibición da replicación do ADN.^[13]

ADN Z formado despois da iniciación da transcrición

O primeiro dominio proteico que se unía con grande afinidade ao ADN Z descubriuse na proteína encimática ADAR1 utilizando unha estratexia desenvolvida por Alan Herbert.^[14][15] Estudos cristalográficos e de RMN confirmaron os descubrimentos bioquímicos de que este dominio se une ao ADN Z dunha maneira non específica de secuencia.^[16][17][18] Identificáronse dominios relacionados noutras proteínas por medio de homoloxía de secuencia.^[15] A identificación do dominio Z-alfa proporcionou unha ferramenta para outros estudos cristalográficos que levaron á caracterización do ARN Z e a unión B-Z. Os estudos biolóxicos suxiren que o dominio de unión ao ADN Z do encima ADAR1 pode localizar no ADN este encima que modifica a secuencia dun ARN de nova formación en sitios en activa transcrición.^[19][20]

En 2003, Alex Rich sinalou que un factor de virulencia de poxvirus chamado E3L, que presenta un dominio relacionado co Z-alfa, imita unha proteína de mamífero que se une ao ADN Z.^[21][22] En 2005, Rich e os seus colegas determinaron o que fai o factor E3L para o poxvirus. Cando se expresa en células humanas, E3L multiplica por 5 ou 10 a produción de varios xenes que bloquean a capacidade dunha célula de autodestruírse en resposta a unha infección vírica. Rich especula que o ADN Z é necesario para a transcrición e que E3L estabiliza o ADN Z, prolongando así a expresión dos xenes anti-apoptóticos. Suxeriu que unha pequena molécula que interfire coa unión de E3L ao ADN Z podería impedir a activación destes xenes e axudar a protexer á xente das infeccións por poxvirus.

Xeometrías comparadas dalgunhas formas de ADN

Vista lateral dos ADN A, B e Z.

O eixe da hélice dos ADN A, B e Z.

Atributos de xeometría	ADN A	ADN B	ADN Z
Sentido da hélice	destroxira	destroxira	levoxira
Unidade repetida	1 bp	1 bp	2 bp
Rotación por par de bases	32,7°	34,3°	60°/2
Pares de bases por xiro	11	10,5	12
Inclinación dos pares de bases con respecto ao eixe	+19°	−1,2°	−9°
Elevación (rise) por par de bases ao longo do eixe	2,3 Å (0.23 nm)	3,32 Å (0,332 nm)	3,8 Å (0,38 nm)
Xiro da hélice	28,2 Å (2,82 nm)	33,2 Å (3,32 nm)	45,6 Å (4,56 nm)
Torsión media da hélice (mean propeller twist)	+18°	+16°	0°
Ángulo glicosilo (orientación dos substituíntes das bases con respecto dos residuos de azucres)	anti	anti	C: anti, G: sin
Pregamento do azucre (ring pucker)	C3'-endo	C2'-endo	C: C2'-endo, G: C2'-exo
Diámetro	23 Å (2,3 nm)	20 Å (2,0 nm)	18 Å (1,8 nm)
Fontes:[23][24][25]

Notas

1. Mitsui; et al. (1970). "Physical and enzymatic studies on poly d(I-C)-poly d(I-C), an unusual double-helical DNA". Nature (Londres) 228 (5277): 1166–1169. PMID 4321098. doi:10.1038/2281166a0. 
2. Pohl FM, Jovin TM (1972). "Salt-induced co-operative conformational change of a synthetic DNA: equilibrium and kinetic studies with poly(dG-dC)". J. Mol. Biol. 67 (3): 375–396. PMID 5045303. doi:10.1016/0022-2836(72)90457-3. 
3. Thamann TJ, Lord RC, Wang AHJ, Rich A (1981). "High salt form of poly(dG-dC)•poly(dG-dC) is left handed Z-DNA: raman spectra of crystals and solutions". Nucl. Acids Res. 9 (20): 5443–5457. PMC 327531. PMID 7301594. doi:10.1093/nar/9.20.5443. 
4. Wang AHJ, Quigley GJ, Kolpak FJ, Crawford JL, van Boom JH, Van der Marel G, Rich A (1979). "Molecular structure of a left-handed double helical DNA fragment at atomic resolution". Nature (Londres) 282 (5740): 680–686. Bibcode:1979Natur.282..680W. PMID 514347. doi:10.1038/282680a0. 
5. Ha SC, Lowenhaupt K, Rich A, Kim YG, Kim KK (2005). "Crystal structure of a junction between B-DNA and Z-DNA reveals two extruded bases". Nature 437 (7062): 1183–1186. Bibcode:2005Natur.437.1183H. PMID 16237447. doi:10.1038/nature04088. 
6. Placido D, Brown BA 2nd, Lowenhaupt K, Rich A, Athanasiadis A (2007). "A left-handed RNA double helix bound by the Zalpha domain of the RNA-editing enzyme ADAR1". Structure 15 (4): 395–404. PMC 2082211. PMID 17437712. doi:10.1016/j.str.2007.03.001. 
7. Hall K, Cruz P, Tinoco I Jr, Jovin TM, van de Sande JH (outubro de 1984). "'Z-RNA'--a left-handed RNA double helix". Nature 311 (5986): 584–586. Bibcode:1984Natur.311..584H. PMID 6482970. doi:10.1038/311584a0. 
8. de Rosa M, de Sanctis D, Rosario AL, Archer M, Rich A, Athanasiadis A, Carrondo MA (2010-05-18). "Crystal structure of a junction between two Z-DNA helices". Proc Natl Acad Sci USA 107 (20): 9088–9092. Bibcode:2010PNAS..107.9088D. PMC 2889044. PMID 20439751. doi:10.1073/pnas.1003182107. 
9. Zhang H, Yu H, Ren J, Qu X (2006). "Reversible B/Z-DNA transition under the low salt condition and non-B-form polydApolydT selectivity by a cubane-like europium-L-aspartic acid complex". Biophysical Journal 90 (9): 3203–3207. Bibcode:2006BpJ....90.3203Z. PMC 1432110. PMID 16473901. doi:10.1529/biophysj.105.078402. Arquivado dende o orixinal o 12 de outubro de 2008. Consultado o 27 de marzo de 2015. 
10. Ho PS, Ellison MJ, Quigley GJ, Rich A (1986). "A computer aided thermodynamic approach for predicting the formation of Z-DNA in naturally occurring sequences". EMBO Journal 5 (10): 2737–2744. PMC 1167176. PMID 3780676. 
11. Champ PC, Maurice S, Vargason JM, Camp T, Ho PS (2004). "Distributions of Z-DNA and nuclear factor I in human chromosome 22: a model for coupled transcriptional regulation". Nucleic Acids Res. 32 (22): 6501–6510. PMC 545456. PMID 15598822. doi:10.1093/nar/gkh988. 
12. Rich A, Zhang S (2003). "Timeline: Z-DNA: the long road to biological function". Nature Reviews Genetics 4 (7): 566–572. PMID 12838348. doi:10.1038/nrg1115. 
13. Roy Chowdhury, Arnab; Bakshi, Rahul; Wang, Jianyang; Yildirir, Gokben; Liu, Beiyu; Pappas-Brown, Valeria; Tolun, Gökhan; Griffith, Jack D.; Shapiro, Theresa A.; Jensen, Robert E.; Englund, Paul T.; Ullu, Elisabetta (16 de decembro de 2010). "The Killing of African Trypanosomes by Ethidium Bromide". PLoS Pathogens 6 (12): e1001226. doi:10.1371/journal.ppat.1001226. 
14. Herbert A, Rich A (1993). "A method to identify and characterize Z-DNA binding proteins using a linear oligodeoxynucleotide". Nucleic Acids Res 21 (11): 2669–72. PMC 309597. PMID 8332463. doi:10.1093/nar/21.11.2669. 
15. Herbert A, Alfken J, Kim YG, Mian IS, Nishikura K, Rich A (1997). "A Z-DNA binding domain present in the human editing enzyme, double-stranded RNA adenosine deaminase.". Proc Natl Acad Sci USA 94 (16): 8421–6. Bibcode:1997PNAS...94.8421H. PMC 22942. PMID 9237992. doi:10.1073/pnas.94.16.8421. 
16. Herbert A, Schade M, Lowenhaupt K, Alfken J, Schwartz T, Shlyakhtenko LS, Lyubchenko YL, Rich A (1998). "The Zalpha domain from human ADAR1 binds to the Z-DNA conformer of many different sequences". Nucleic Acids Res 26 (15): 2669–72. PMC 147729. PMID 9671809. doi:10.1093/nar/26.15.3486. 
17. Schwartz T, Rould MA, Lowenhaupt K, Herbert A, Rich A (1999). "Crystal structure of the Zalpha domain of the human editing enzyme ADAR1 bound to left-handed Z-DNA". Science 284 (5421): 1841–5. PMID 10364558. doi:10.1126/science.284.5421.1841. 
18. Schade M, Turner CJ, Kühne R, Schmieder P, Lowenhaupt K, Herbert A, Rich A, Oschkinat H (1999). "The solution structure of the Zalpha domain of the human RNA editing enzyme ADAR1 reveals a prepositioned binding surface for Z-DNA". Proc Natl Acad Sci USA 96 (22): 2465–70. Bibcode:1999PNAS...9612465S. PMC 22950. PMID 10535945. doi:10.1073/pnas.96.22.12465. 
19. Herbert A, Rich A (2001). "The role of binding domains for dsRNA and Z-DNA in the in vivo editing of minimal substrates by ADAR1". Proc Natl Acad Sci USA 98 (21): 12132–7. Bibcode:2001PNAS...9812132H. PMC 59780. PMID 11593027. doi:10.1073/pnas.211419898. 
20. Halber D (1999-09-11). "Scientists observe biological activities of 'left-handed' DNA". MIT News Office. Consultado o 2008-09-29. 
21. Kim YG, Muralinath M, Brandt T, Pearcy M, Hauns K, Lowenhaupt K, Jacobs BL, Rich A (2003). "A role for Z-DNA binding in vaccinia virus pathogenesis". Proc Natl Acad Sci USA 100 (12): 6974–6979. Bibcode:2003PNAS..100.6974K. PMC 165815. PMID 12777633. doi:10.1073/pnas.0431131100. 
22. Kim YG, Lowenhaupt K, Oh DB, Kim KK, Rich A (2004). "Evidence that vaccinia virulence factor E3L binds to Z-DNA in vivo: Implications for development of a therapy for poxvirus infection". Proc Natl Acad Sci USA 101 (6): 1514–1518. Bibcode:2004PNAS..101.1514K. PMC 341766. PMID 14757814. doi:10.1073/pnas.0308260100. 
23. Sinden, Richard R (1994-01-15). DNA structure and function (1st ed.). Academic Press. p. 398. ISBN 0-12-645750-6. 
24. Rich A, Norheim A, Wang AHJ (1984). "The chemistry and biology of left-handed Z-DNA". Annual Review of Biochemistry 53: 791–846. PMID 6383204. doi:10.1146/annurev.bi.53.070184.004043. 
25. Ho PS (1994-09-27). "The non-B-DNA structure of d(CA/TG)n does not differ from that of Z-DNA". Proc Natl Acad Sci USA 91 (20): 9549–9553. Bibcode:1994PNAS...91.9549H. PMC 44850. PMID 7937803. doi:10.1073/pnas.91.20.9549. 

Véxase tamén

Outros artigos

• ADAR1
• ADN A
• ADN B
• ADN C
• ADN
• Superenrolamento do ADN
• Proteína 1 de unión ao ADN-Z (ZBP1), en humanos
• Zuotina, en lévedos

Ligazóns externas

• ZHunt Online Server