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)境和生理條件下最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。然而以后的研究表明DNA的結(jié)構(gòu)是動態(tài)的。在以鉀或絕作反離子，相對濕度為75%時，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個堿基對，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行使功能時蛋白質(zhì)的識別位點，所以由B－DNA變?yōu)锳－DNA后，蛋白質(zhì)對DNA分子的識別也發(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，整個過程中，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，會變構(gòu)成A－DNA。當(dāng)DNA處于轉(zhuǎn)錄狀態(tài)時，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nm | |
| B-DNA | 0 | 36.0 | 0.337 | 3.4 | 10 | 0.57×0.75 | 1.17×0.85 |
| C-DNA | 6 | 38.0 | 0.331 | 3.1 | 9.3 | 0.48×0.79 | 1.05×0.75 |
| D-DNA | 45.0 | 0.303 | 0.13×0.67 | 0.89×0.58 | |||
| A-DAN | 20 | 32.7 | 0.256 | 2.8 | 11 | 1.10×0.28 | 0.27×1.35 |
總之，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)永遠(yuǎn)處于動態(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)，每個螺旋含12個堿基對，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。
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。因為Z－DNA中帶負(fù)電荷的磷酸根距離太近了，這會產(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。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一側(cè)的氫原子供體或受體相互作用，形成氫鍵從而識別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DNA信息的識別。Z-DNA中大溝消失，小溝狹而深，使調(diào)控蛋白識別方式也發(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)識而已。
DNA構(gòu)象的可變性，或者說DNA二級結(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DNA分子有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的平均值而獲得的。同時，這項技術(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 tummeling microscopy,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)的某些未知點上展示巨大潛力。
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