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Nature子刊:遗传信息储存在DNA而不是RNA的原因

摘要 : 2016年8月1日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Structural & Molecular Biology》杂志上在线发表了美国杜克大学医学院Hashim M. Al-Hashimi研究员的一篇研究论文,研究强调了DNA双螺旋结构的动态性,研究解释了“为什么DNA,而不是RNA,是遗传信息的主要储存库”。

2016年8月1日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Structural & Molecular Biology》杂志上在线发表了美国杜克大学医学院Hashim M. Al-Hashimi研究员的一篇研究论文,研究强调了DNA双螺旋结构的动态性,研究解释了“为什么DNA,而不是RNA,是遗传信息的主要储存库”。研究发现可能会改写教科书关于“遗传信息的两个提供者——DNA和RNA之间的差异”的报道。

Hashim M. Al-Hashimi指出:“这些简单的美丽结构中,有一种惊人的复杂性,是我们一直不知道的全新层次或维度,因为直到现在我们都没有工具看到它们。”

DNA著名的双螺旋往往被描绘成一个螺旋楼梯,有两个长链彼此盘绕,其他台阶是由四个称为碱基的化学构建模块组成。这些碱基中的每一个都含有碳环,以及各种氮、氧和氢的结构。这些原子的排列可让G与C配对,A与T配对,就像一台精美机器中的联锁齿轮。

Al-Hashimi说:“DNA碱基对,向其结构添加另一个维度,变形成不同的形状,以在细胞内实现更多的功能。”Al-Hashimi和他的团队想知道,当RNA——DNA和蛋白质之间的“中间人”形成双螺旋结构时,是否也可能发生同样的现象。由于碱基配对的这些变化涉及到在原子水平上的分子运动,通过传统的方法难以检测到它们。因此,Al-Hashimi的研究生Huiqing Zhou利用一种称为NMR松弛散布的精细成像技术,来显现这些微小的变化。首先,她设计了两个模型的双螺旋——一个由DNA制成,另一个由RNA制成。然后,她用NMR技术跟踪单个G和A碱基(根据Watson-Crick或Hoogsteen规则配对,组成上升的螺旋阶梯)的翻转。

之前的研究表明,在任何给定的时间,DNA双螺旋中百分之一的碱基,变成Hoogsteen碱基对。但是当Zhou观察相应的RNA双螺旋结构时,她发现,绝对没有检测到的运动;碱基对都冻结在原地,停留在Watson-Crick结构中。

研究人员想知道,他们的RNA模型是一种不寻常的例外或异常,所以他们设计了一系列范围广泛的RNA分子,并在各种各样的条件下测试了它们,但仍没有一个扭曲成Hoogsteen结构。他们担心,RNA事实上可能正在形成Hoogsteen碱基对,但它们发生的很快,因此他们没能捕捉到它们的行为。Zhou将一个被称为甲基的化学结构,添加到碱基上的具体位置,以阻断Watson-Crick碱基配对,所以RNA会被困在Hoogsteen结构中。她惊讶地发现,两股RNA链不是通过Hoogsteen碱基对连接,而是在损伤部位附近裂开。

这项研究的第一作者Zhou说:“在DNA中,这种修饰是一种形式的破坏,它可以很容易地通过翻转碱基并形成Hoogsteen碱基对,而被吸收。与之相反,同样的修饰严重破坏了RNA的双螺旋结构。”

研究小组认为,RNA不形成Hoogsteen碱基对,因为其双螺旋结构(称为A型)比DNA的结构(B型)更紧凑。因此,如果不拉伸一个碱基或者不绕原子移动,RNA就不能翻转另一个碱基,这将把螺旋弄乱。Al-Hashimi说:“对于双螺旋这样一个基本的结构,我们惊讶的发现,这些基本性质出现的太晚了。我们需要继续放大,以更深入地了解这些基本的生命分子。”

原文链接:

m1A and m1G disrupt A-RNA structure through the intrinsic instability of Hoogsteen base pairs

原文摘要:

The B-DNA double helix can dynamically accommodate G-C and A-T base pairs in either Watson–Crick or Hoogsteen configurations. Here, we show that G-C+ (in which + indicates protonation) and A-U Hoogsteen base pairs are strongly disfavored in A-RNA. As a result,N1-methyladenosine andN1-methylguanosine, which occur in DNA as a form of alkylation damage and in RNA as post-transcriptional modifications, have dramatically different consequences. wheras they create G-C+and A-T Hoogsteen base pairs in duplex DNA, thereby maintaining the structural integrity of the double helix, they block base-pairing and induce local duplex melting in RNA. These observations provide a mechanism for disrupting RNA structure through post-transcriptional modifications. The different propensities to form Hoogsteen base pairs in B-DNA and A-RNA may help cells meet the opposing requirements of maintaining genome stability, on the one hand, and of dynamically modulating the structure of the epitranscriptome, on the other.

来源: Nature Structural & Molecular 浏览次数:1

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