2-2-5 DNA结构的多态性

　　Watson和Crick所推导出来的DNA结构在生物学研究中有深远意义。他们是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92％相对温度下进行X－射线衍射图谱为依据进行推设的。在这一条件下得出的DNA称B构象。实际上在溶液中的DNA的确呈这一构象，这也是最常见的DNA构象。但是，研究表明DNA的结构是动态的。在以钠、钾或铯作反离子，相对温度为75％时，DNA分子的X－射线衍射图给出的是A构象。这一构象不仅出现于脱水DNA中，还出现在RNA分子中的双螺旋区域的DNA－RNA杂交分子中。如果以锂作反离子，相对温度进一步降为66％，则DNA是C构象。但是这一构象仅在实验室中观察到，还未在生物体中发现。这些DNA分子中G-C碱基对较少，这些分子将取D和E构象。这些研究表明DNA的分子结构不是一成不变的，在不同的条件下可以有所不同。但是，这些不同构象的DNA都有共同的一点，即它们都是右手双螺旋；两条反向平行的核苷酸链通过Ｗatson-Crick碱基配对结合在一起；链的重复单位是单核苷酸；这些螺旋中都有两个螺旋沟，分为大沟与小沟，只是它们的宽窄和深浅程度有所不同。

　　但是，Wang和Rich等人在研究人工合成的CGCGCG单晶的X－射线衍射图谱时分别发现这种六聚体的构象与上面讲到的完全不同。它是左手双螺旋，在主链中各个磷酸根呈锯齿状排列，有如“之”字形一样，因此叫它Z构象（英文字Zigzag的第一个字母）。还有，这一构象中的重复单位是二核苷酸而不是单核苷酸；而且Z－DNA只有一个螺旋沟，它相当于B构象中的小沟，它狭而深，大沟则不复存在。

　　立即就有几个问题被提了出来：这种结构是怎样生成的？这一结构在天然状态下存在吗？它有什么生物学意义？

　　研究表明，Z－DNA的形成是DNA单链上出现嘌呤与嘧啶交替排列所成的。比如CGCGCGCG或者CACACACA。这种碱基排列方式会造成核苷酸的糖苷键的顺式和反式构象的交替存在。当碱基与糖构成反式结构时，它们之间离得远；而当它们成顺式时，就彼此接近。嘧啶糖苷键通常是反式的，而嘌呤糖苷酸键既可成顺式的也可成反式的。而在Z－DNA中，嘌呤碱是顺式的。这样，在Z－DNA中嘧啶的糖苷链离开小沟向外挑出，而嘌呤上的糖苷键则弯向小沟。嘌呤与嘧啶的交替排列就使得糖苷键也是顺式与反式交替排列，从而使Z－DNA主链呈锯齿状或“之”字形。

　　人们相信，并用实验证明细胞DNA分子中确实存在有Z－DNA区。而且，细胞内有一些因素可以促使B－DNA转变为Z－DNA。比如，胞嘧啶第五位碳原子的甲基化，在甲基周围形成局部的疏水区。这一区域扩伸到B－DNA的大沟中，使B－DNA不稳定而转变为Z－DNA。这种C5甲基化现象在真核生物中是常见的。因此在生物B构象的DNA中某些区段具有Z－DNA构象是可能的。DNA真是一个构象可变动态分子。

　　Z－DNA有会么生物学意义呢？应当指出Z－DNA的形成通常在热力学上是不利的。因为Z－DNA中带负电荷的磷酸根距离太近了，这会产物静电排斥。但是，DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。DNA解螺旋却是DNA复制和转录等过程中必要的环节，因此认为这一结构位点与基因调节有关。比如ＳＶ40增强子区中就有这种结构，又如鼠类微小病毒ＤＮＳ复制区起始点附近有GC交替排列序列。此外，DNA螺旋上沟的特征在其信息表达过程中起关键作用。调控蛋白都是通过其分子上特定的氨基酸侧链与DNA双螺旋沟中的碱基对一侧的氢原子供体或受体相互作用，形成氢键从而识别DNA上的遗传信息的。大沟所带的遗传信息比小沟多。沟的宽窄和深浅也直接影响到调控蛋白质对DNA信息的识别。Z－DNA中大沟消失，小沟狭而深，使调探蛋白识别方式也发生变化。这些都暗示Z－DNA的存在不仅仅是由于DNA中出现嘌呤－啶嘧交替排列之结果，也一定是在漫漫的进化长河中对DNA序列与结构不断调整与筛选的结果，有其内在而深刻的含意，只是人们还未充分认识而已。

　　DNA构象的可变性，或者说DNA二级结构的多态性的发现拓宽了人们的视野。原来，生物体中最为稳定的遗传物质也可以采用不同的姿态来实现其丰富多采的生物的奥妙，也让人们在这一领域中探索和攀越时减少疲劳和厌倦，乐而忘返，从而有更多更新的发现。

　　多年来，DNA结构的研究手段主要是X射线衍线技术,其结果是通过间接观测多个DNA分子有关结构参数的平均值而获得的。同时，这项技术的样品分析条件使被测DNA分子与天然状态相差甚远。因此，在反映DNA结构真实性方面这种方法存在着缺陷。1989年,应用扫描隧道显微镜(STM)研究DNA结构克服了上述技术的缺陷。这种先进的显微技术,不仅可将被测物放大500万倍,且能直接观测接近天然条件下单个DNA分子的结构细节。应该说它所取得的DNA结构资料更具有"权威性"。表1-6是STM测到的B-DNA结构参数及其与X射线衍线资料的比较结果。STM研究还证实了d(CG)重复序列的寡核苷酸片段为Z-DNA结构的事实。STM技术的应用是DNA结构研究中的重要进展,可望在探索DNA结构的某些未知点上展示巨大潜力。

B-DNA与Z-DNA的比较

B-DNA结构参数

*7个螺旋周期的DNA得以量度，表中值+-标准差。

**间距指DNA双螺旋的高脊之间的距离，在含义上与宽度和深度有所不同。