Párování bází

Dva základní komplementární páry
Base pair GC.svg
Base pair AT.svg

Párování bází je označení pro způsob, jímž jsou nukleové báze (ať v DNA či v RNA) navzájem pospojovány pomocí vodíkových můstků. V typickém případě se párování bází odehrává na základě základních watson-crickovských pravidel komplementarity, tzn. báze adenin (A) páruje s thyminem (T) [či s uracilem v dsRNA] a báze guanin (G) páruje s cytosinem.[1] Existují však i alternativní možnosti párování, které umožňují vznik některých méně obvyklých situací.

Pro komplementární pár bází (base pair) se používá zkratka bp.[1]

Watson-crickovské párování

Dvěma základními páry v typické dvouvláknové DNA je AT pár (adenin + thymin) a GC pár (guanin + cytosin), v dvouvláknové RNA se vyskytuje GC pár rovněž, ale druhým základním párem je AU pár (adenin+uracil). Pro tyto komplementární páry platí, že jedna z nukleových bází je vždy purin (A či G), druhá je pyrimidin (C, T, U).[1] Jakékoliv jiné kombinace nukleových bází by silně deformovaly dvoušroubovici B-DNA a proto se v živých organismech téměř nevyskytují.[2]

V GC páru jsou mezi guaninem a cytosinem tři vodíkové můstky, zatímco v AT páru jsou pouze dva. V učebnicích se běžně uvádí, že přítomnost tří vodíkových vazeb mezi G a C je důvodem vyšší stability oblastí DNA bohatých na GC páry.[3] Ve skutečnosti jsou pravou příčinou tohoto jevu silné patrové interakce mezi nad sebou umístěným guaninovou a cytosinovou nukleovou bází.[4]

Chargaffova pravidla říkají, že v DNA je stejný počet adeninových a thyminových zbytků (A = T), to samé platí pro guanin s cytosinem (G = C). To však nic neříká o tom, v jakém poměru jsou GC a AT páry v molekule DNA. Ve skutečnosti se tzv. obsah GC (GC content), tedy zastoupení GC párů v DNA, pohybuje u bakterií od 25 do 75 %, u savců v rozmezí 39-46 %.[2]

Alternativní párování bází

G kvartet, ukázka alternativního párování

Existuje celá řada dalších možností, jak pomocí vodíkových můstků spárovat báze, neboť atomů schopných podílet se na vzniku vodíkových vazeb je na molekulách purinů i pyrimidinů celá řada. Samostatnou kapitolou je tzv. hoogsteenovské párování pojmenované podle Karsta Hoogsteena, který je v 60. letech 20. století jako první popsal.[5] Co se týče vazeb mezi adeninem a thyminem, hoogsteenovské páry vznikají buď mezi NH2 skupinou adeninu a ketoskupinou thyminu, nebo mezi N7 dusíkem adeninu a vodíkem na C1 thyminu. Podobně mezi guaninem a cytosinem může vznikat alternativní párování mezi ketoskupinou na šesté pozici guaninu a aminoskupinou na čtvrtém uhlíku cytosinu, případně mezi dusíkem na sedmé pozici guaninu a protonovaným dusíkem na pozici N1 cytosinu.[1] Hoogsteenovské párování umožňuje vznik tzv. trojvláknové DNA (tripl-helixu). Mezi čtyřmi do čtverce uspořádanými guaniny dokonce může vzniknout tetraplex, tzv. G-kvartet.[5]

Jinou možností je tzv. wobble párování, které umožňuje úsporné rozeznávání kodonů pomocí tRNA molekul. Při wobble párování může například guanin vytvářet vazbu s uracilem; někdy je rekrutován inosin, jenž má velmi obecné vazebné schopnosti a je schopen vázat se na C, A a U.[6]

Nepřirozené páry bází

Na tuto kapitolu je přesměrováno heslo Nepřirozené páry bází.

Vědcům se podařilo syntetizovat již mnoho kandidátů na nepřirozené nukleové báze, jen naprostá menšina z nich je však skutečně replikovatelná DNA polymerázami a ještě menší počet umožňuje transkripci do RNA. Pouze u jediného umělého páru nukleových bází byla dosud (r. 2017) prokázána in vivo funkční ekvivalence s přirozenými páry (cytosin-guanin, adenin-thymin).

V r. 1989 se švýcarskému biochemikovi Stevenu Bennerovi a jeho týmu podařilo implementovat do struktury DNA modifikované nukleosidy iso-cytidin a iso-guanosin párující se vodíkovými můstky odlišně od C-G. Nové úseky byly in vitro schopné replikace a transkripce do RNA (přiřazování komplementárních deoxyribonukleosidů i ribonukleosidů).[7] V roce 1990 publikoval objev dalších pozměněných nukleosidů, a sice uměle vytvořeného "κ" (chemicky 3-β-D-ribofuranosyl-(2,6-diaminopyrimidin)), párujícího se buďto s přirozeným xanthosinem (X) (má však nestálý deoxyribonukleotid) nebo uměle vytvořeným "π" (chemicky 3-β-D-ribofuranosyl-(1-methyl-pyrazolo[4,3-d]pyrimidin-5,7(4H,6H)-dion)).[8]

V r. 2002 vyvinul japonský biochemik se svým týmem další nepřirozený pár nukleových bází založených na purinu a pyridinu, fungující in vitro při transkripci a translaci, a sice "s" (chemicky 2-amino-8-(2-thienyl)purin) a "y" (chemicky pyridin-2-on).[9] V roce 2006 pak vytvořili další takový pár, "Ds" (chemicky 7-(2-thienyl)imidazo[4,5-b]pyridin) a "Pa" (chemicky pyrrol-2-karbaldehyd)[10] a v r. 2009 objevili, že vhodnější chování má pár "Ds" s nově vytvořenou bází "Px" (chemicky 4-[3-(6-aminohexanamido)-1-propynyl]-2-nitropyrrol).[11]

Skupina amerických vědců vedených Floydem Romesbergem v r. 2008 vytvořila další dvojici párujících se deoxynukleosidů "d5SICS" (chemicky 2-((2R,4R,5R)-tetrahydro-4-hydroxy-5-(hydroxymethyl)furan-2-yl)-6-methylisochinolin-1(2H)-thion; v popularizačních článcích označovaný jako "Y"[12]) a "dNaM" (chemicky (1R)-1,4-anhydro-2-deoxy-1-(3-methoxy-2-naftyl)-D-erythro-pentitol; v popularizačních článcích označovaný jako "X"[12] – pozor, nejedná se o xanthosin). Ty již nejsou odvozeny z purinu a pyrimidinu, ale obě obsahují dva kondenzované aromatické cykly. V r. 2012 tým vedený Denisem Malyshevem publikoval funkčnost těchto bází při replikaci in vitro,[13] v r. 2014 pak úspěšné uplatnění in vivo. Vědci přidali do buňky bakterie Escherichia coli plazmid s novými bázemi. Bakterie s plazmidem se rozmnožovaly, jako by byly úplně obyčejné. Uměle syntetizované báze, nutné pro toto množení, byly dodávány z vnějšího prostředí (jejich syntézu buňka neumí) pomocí přenosového aparátu vypůjčeného z řas – gen pro jeho tvorbu byl vložen do genomu bakterie. Nový pár se tak ukázal plně funkčně ekvivalentní přirozeným párům nukleových bází.[14][15] Díky dalšímu výzkumu se podařilo vyvinout nový transportér syntetických bází přes membránu a po chemické optimalizaci umělého páru bází se podařilo v roce 2016 udržet polosyntetický genom bakterie Escherichia coli životaschopný a stabilní, tj. schopný přetrvat minimálně 60 buněčných dělení.[16][17][18][12]

V roce 2015 publikovaly dva týmy syntetických biologů výsledky prací na rozšíření genetické abecedy o další pár bází – "Z" (chemicky 6-amino-5-nitro-2(1H)-pyridon) a "P" (chemicky 2-aminoimidazo[1,2-a]-1,3,5-triazin-4(8H)on) a průkazu in vivo jejich rovnocennosti a kombinovatelnosti s přirozenými páry bází v řetězci DNA.[19][20] Pokračující výzkumné práce vyústily ve vytvoření tzv. "hachimoji" DNA a RNA (z japonských slov hachi – osm a moji – písmeno), obsahujících 8 různých bází vzájemně se párujících tak, že zachovávají geometrické poměry přirozené DNA (2 páry bází jsou přitom přirozené, 2 páry umělé: výše zmíněný pár Z···P a nový pár S···B, kde S je methylcytosin, B izoguanin) a hachimoji DNA je přitom schopna jednoznačného přepisu do hachimoji RNA (v níž S je izocytosin). Objev těchto uměle rozšířených nukleových kyselin byl publikován v r. 2019.[21][22]

Párování bází v hachimoji DNA
Párování bází v hachimoji RNA

Chemická struktura nukleotidů je:[23]

  • u hachimoji DNA (vedle přirozených A, T, C, G):
    • dS (z deoxyS): 3-methyl-6-amino-5-(1'-β-D-2'-deoxyribofuranosyl)-pyrimidin-2-on
    • dB: 6-amino-9-(1'-β-D-2'-deoxyribofuranosyl)-4-hydroxy-5-(hydroxymethyl)-oxolan-2-yl]-1H-purin-2-on
    • dZ: 6-amino-3-(1'-β-D-2'-deoxyribofuranosyl)-5-nitro-1H-pyridin-2-on
    • dP: 2-amino-8-(1'-β-D-2'-deoxyribofuranosyl)-imidazo-[1,2a]-1,3,5-triazin-[8H]-4-on
  • u hachimoji RNA (vedle přirozených A, U, C, G):
    • S (též rS): 2-amino-1-(1'-β-D-ribofuranosyl)-4(1H)-pyrimidinon
    • B: 6-amino-9-(1'-β-D-ribofuranosyl)-4-hydroxy-5-(hydroxymethyl)-oxolan-2-yl]-1H-purin-2-on
    • Z: 6-amino-3-(1'-β-D-ribofuranosyl)-5-nitro-1H-pyridin-2-on
    • P: 2-amino-8-(1'-β-D-ribofuranosyl)-imidazo-[1,2a]-1,3,5-triazin-[8H]-4-on

Reference

  1. a b c d Oxford dictionary of biochemistry and molecular biology; revised edition. Příprava vydání R. Cammack et al. New York: Oxford university press, 2006. ISBN 0-19-852917-1. 
  2. a b VOET, Donald; VOET, Judith. Biochemie. 1.. vyd. Praha: Victoria Publishing, 1995. ISBN 80-85605-44-9. 
  3. Robert K. Murray; Daryl K. Granner; Joe C. Davis; Peter A. Mayes; Victor W. Rodwell. Harper’s Illustrated Biochemistry; twenty-sixth edition. [s.l.]: [s.n.], 2003. ISBN 0-07-138901-6. 
  4. YAKOVCHUK, P.; PROTOZANOVA, E.; FRANK-KAMENETSKII, M. D. Base-stacking and base-pairing contributions into thermal stability of the DNA double helix. Nucleic Acids Res.. 2006, roč. 34, čís. 2, s. 564–74. Dostupné online. ISSN 1362-4962. 
  5. a b NELSON, David L.; COX, Michael M. Lehninger principles of biochemistry. 5. vyd. New York: W. H. Freeman and Company, 2008. Dostupné online. ISBN 978-0-7167-7108-1. 
  6. LODISH, Harvey, et al.. Molecular Cell Biology. New York: W.H. Freedman and Company, 2004. Dostupné online. ISBN 0-7167-4366-3. 
  7. SWITZER, Christopher; MORONEY, Simon E.; BENNER, Steven A. Enzymatic incorporation of a new base pair into DNA and RNA. S. 8322–8323. Journal of the American Chemical Society [online]. Říjen 1989. Svazek 111, čís. 21, s. 8322–8323. Dostupné online. ISSN 1520-5126. DOI 10.1021/ja00203a067. (anglicky) 
  8. PICCIRILLI, Joseph A.; KRAUCH, Tilman; MORONEY, Simon E., BENNER, Steven A. Enzymatic incorporation of a new base pair into DNA and RNA extends the genetic alphabet. S. 33–37. Nature [online]. 4. leden 1990. Svazek 343, čís. 6253, s. 33–37. Dostupné online. ISSN 1476-4687. DOI 10.1038/343033a0. PMID 1688644. (anglicky) 
  9. HIRAO, Ichiro, a kol. An unnatural base pair for incorporating amino acid analogs into proteins. S. 177–182. Nature Biotechnology [online]. 2002. Svazek 20, čís. 2, s. 177–182. Dostupné online. ISSN 1546-1696. DOI 10.1038/nbt0202-177. PMID 11821864. (anglicky) 
  10. HIRAO, Ichiro, a kol. An unnatural hydrophobic base pair system: site-specific incorporation of nucleotide analogs into DNA and RNA. S. 729–735. Nature Methods [online]. 23. srpen 2006. Svazek 3, čís. 9, s. 729–735. Dostupné online. ISSN 1548-7105. DOI 10.1038/nmeth915. PMID 16929319. (anglicky) 
  11. KIMOTO, Michiko, a kol. Generation of high-affinity DNA aptamers using an expanded genetic alphabet. S. 453–457. Nature Biotechnology [online]. 7. duben 2013. Svazek 31, čís. 5, s. 453–457. Dostupné online. ISSN 1548-7105. DOI 10.1038/nbt.2556. PMID 23563318. (anglicky) 
  12. a b c PAZDERA, Josef. První stabilní polosyntetický organismus. OSEL.cz [online]. 29. leden 2017 [cit. 2017-01-31]. Dostupné online. 
  13. MALYSHEV, Denis A., a kol. Efficient and sequence-independent replication of DNA containing a third base pair establishes a functional six-letter genetic alphabet. S. 12005–12010. Proceedings of the National Academy of Sciences USA (PNAS) [online]. 24. červenec 2012. Svazek 109, čís. 30, s. 12005–12010. Dostupné online. ISSN 1091-6490. DOI 10.1073/pnas.1205176109. PMID 22773812. (anglicky) 
  14. MALYSHEV, Denis A., a kol. A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet. S. 385–388. Nature [online]. 7. květen 2014. Svazek 509, čís. 7500, s. 385–388. Dostupné online. ISSN 1476-4687. DOI 10.1038/nature13314. PMID 24805238. (anglicky) 
  15. JOHN, Radek: Vědci stvořili bakterii s novým genetickým kódem. Týden, 12. květen 2014. Dostupné online
  16. ZHANG, Yorke; LAMB, Brian M.; FELDMAN, Aaron W.; ZHOU, Anne Xiaozhou; LAVERGNE, Thomas; LI, Lingjun; ROMESBERG, Floyd E. A semisynthetic organism engineered for the stable expansion of the genetic alphabet. Proceedings of the National Academy of Sciences USA (PNAS) [online]. 23. leden 2017 [cit. 2017-01-27]. Online před tiskem. Dostupné online. ISSN 1091-6490. DOI 10.1073/pnas.1616443114. (anglicky) 
  17. The Scripps Research Institute. Scientists create first stable semisynthetic organism. Phys.org [online]. 23. leden 2017 [cit. 2017-01-27]. Popularizační článek k předchozí referenci. Dostupné online. (anglicky) 
  18. HOUSER, Pavel. První stabilní polosyntetický organismus. SCIENCEmag.cz [online]. Nitemedia s.r.o., 26. leden 2017 [cit. 2017-01-27]. Dostupné online. 
  19. GEORGIADIS, Millie M.; SINGH, Isha; KELLETT, Whitney F., HOSHIKA, Shuichi; BENNER, Steven A.; RICHARDS, Nigel G. J. Structural Basis for a Six Nucleotide Genetic Alphabet. S. 6947–6955. Journal of the American Chemical Society [online]. 11. květen 2015. Svazek 137, čís. 21, s. 6947–6955. Dostupné online. ISSN 1520-5126. DOI 10.1021/jacs.5b03482. (anglicky) 
  20. ZHANG, Liqin; YANG, Zunyi; SEFAH, Kwame, BRADLEY, Kevin M.; HOSHIKA, Shuichi; KIM, Myong-Jung; KIM, Hyo-Joong; ZHU, Guizhi; JIMÉNEZ, Elizabeth; CANSIZ, Sena; TENG, I-Ting; CHAMPANHAC, Carole; McLENDON, Christopher; LIU, Chen; ZHANG, Wen; GERLOFF, Dietlind L.; HUANG, Zhen; TAN, Weihong; BENNER, Steven A. Evolution of Functional Six-Nucleotide DNA. S. 6734–6737. Journal of the American Chemical Society [online]. 12. květen 2015. Svazek 137, čís. 21, s. 6734–6737. Dostupné online. ISSN 1520-5126. DOI 10.1021/jacs.5b02251. (anglicky) 
  21. kar. Vědci vytvořili „mimozemskou“ DNA, místo čtyř písmen jich má osm. ct24 [online]. Česká televize, 22. únor 2019. Dostupné online. 
  22. BROWN, Dwayne; LANDAU, Elizabeth. Research creates DNA-like molecule to aid search for alien life. Phys.Org [online]. 21. únor 2019. Dostupné online. (anglicky) 
  23. HOSHIKA, Shuichi; LEAL, Nicole A.; KIM, Myong-Jung; KIM, Myong-Sang; KARALKAR, Nilesh B.; KIM, Hyo-Joong. Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks. Kapitola Supplement: Materials and Methods, s. 1. Science [online]. American Association for the Advancement of Science, 22. únor 2019. Svazek 363, čís. 6429, s. 1. Dostupné online. PDF [1]. ISSN 1095-9203. DOI 10.1126/science.aat0971. PMID 30792304. (anglicky) 

Externí odkazy

Média použitá na této stránce

Base pair AT.svg
Base pair Adenine Tyhmine (AT)
Base pair GC.svg
Base pair guanine cytosine (GT)
Hachimoji RNA base pairs.gif
Autor: WolfmanSF, Licence: CC BY-SA 4.0
Hachimoji RNA hydrogen bonds are depicted as dashed green lines, with acceptor atoms shown in red. Nucleobase Z is 6-amino-5-nitropyridin-2-ol, P is 5-aza-7-deazaguanine, S in rS is isocytosine and B is isoguanine.
G-quadruplex.jpg
Autor: Julian Huppert, Licence: CC BY-SA 2.5
Picture of G-Quadruplex DNA tetrad and stack
Hachimoji DNA base pairs.gif
Autor: WolfmanSF, Licence: CC BY-SA 4.0
Hachimoji DNA hydrogen bonds are depicted as dashed green lines, with acceptor atoms shown in red. Nucleobase Z is 6-amino-5-nitropyridin-2-ol, P is 5-aza-7-deazaguanine, S in dS is 1-methylcytosine and B is isoguanine.