Z-DNA

Z-DNA ist eine von verschiedenen möglichen Strukturformen der DNA. Es handelt sich dabei um eine linksgängige Doppelhelix (im Gegensatz zu der in der Natur üblichen B-Form, die eine rechtsgängige Helix bildet). Vermutlich ist die Z-DNA zusammen mit der A- und der B-DNA eine der drei biologisch aktiven DNA-Formen.

Geschichte

Mit dem Zusammenhang zwischen Z-DNA und B-DNA beschäftigten sich Pohl und Jovin^[1] in frühen Arbeiten. Sie konnten zeigen, dass der Circulardichroismus, kurz CD, von poly(dG-dC) unter Verwendung von 4 M NaCl-Lösung beinahe vollständig umkehrbar war. Die Vermutung, dass die Ursache dafür eine Umwandlung von B-DNA nach Z-DNA war, wurde später durch Ramanspektroskopie von Z-DNA Kristallen in der Lösung belegt.^[2] Die Z-DNA selbst wurde im Jahr 1979 als erste kristalline DNA-Struktur von Alexander Rich, Andrew Wang und Mitarbeitern am MIT entdeckt^[3] (siehe Röntgenbeugung). Jedoch wurde erst im Jahr 2005 über eine Kristallstruktur berichtet, welche Z-DNA direkt in einer Verbindung mit B-DNA zeigt und so Hinweise auf eine biologische Aktivität von Z-DNA liefert.^[4]

Struktur

Der Name Z-DNA leitet sich vom zickzackartigen Verlauf des Zucker-Phosphat-Rückgrates ab. Die Struktur ist aber im Vergleich zu der rechtsgängigen B-DNA sehr verschieden. Denn die Z-DNA ist linksgängig und hat eine Struktur, die sich alle zwei Basenpaare wiederholt (Dimere). Allerdings ist die Z-DNA eine metastabile Konformation der DNA und wird nur unter bestimmten Umständen eingenommen (wie z. B. alternierende Pyrimidine/Purine, hoher Salzkonzentration oder DNA supercoiling).

Funktion

Es wird vermutet, dass Z-DNA u. a. eine Rolle während der DNA-Transkription spielt, wenn besonders viel supercoiled DNA vorliegt.^[4] Außerdem wurde beobachtet, dass das vermutliche Vorliegen von Z-DNA mit Transkriptionsaktivität zusammenfällt und es wurde postuliert, dass Z-DNA bei der Regulation der Transkription eine Rolle spielt.^[5]

Strukturinformationen der drei DNA-Formen, die biologisch relevant sein könnten^[6]
(B-DNA ist die in der belebten Natur häufigste Form)
Strukturmerkmal	A-DNA	B-DNA	Z-DNA
helikaler Drehsinn	rechts	rechts	links
Durchmesser	≈26 Å	≈20 Å	≈18 Å
Basenpaare pro helikale Windung	11,6	10,4…10,6	12 (6 Dimere)
Helikale Windung je Basenpaar (twist)	31°	36°	60° (pro Dimer)
Ganghöhe (Anstieg pro Windung)	34 Å	34 Å	44 Å
Anstieg pro Base	2,9 Å	3,4 Å	7,4 Å (pro Dimer)
Neigungswinkel der Basenpaare zur Achse	20°	6°	7°
Große Furche	eng und tief	breit und tief	flach
Kleine Furche	breit und flach	eng und tief	eng und tief
Zuckerkonformation	C3'-endo	C2'-endo	Pyrimidine: C2'-endo Purine: C3'-endo
Glykosidische Bindung	anti	anti	Pyrimidine: anti Purine: syn

Literatur

Donald Voet, Judith G. Voet: Biochemistry. 4. Auflage. John Wiley & Sons, Hoboken 2011, ISBN 978-0-470-57095-1.

Quellen

↑ F. M. Pohl, T. M. Jovin: Salt-induced co-operative conformational change of a synthetic DNA: equilibrium and kinetic studies with poly (dG-dC). In: Journal of Molecular Biology. Band 67, Nr. 3, 28. Juni 1972, S. 375–396, PMID 5045303.
↑ T. J. Thamann, R. C. Lord, A. H. Wang, A. Rich: The high salt form of poly(dG-dC)•poly(dG-dC) is left-handed Z-DNA: Raman spectra of crystals and solutions. In: Nucleic Acids Research. Band 9, Nr. 20, 24. Oktober 1981, S. 5443–5457, PMID 7301594.
↑ Wang AHJ, Quigley GJ, Kolpak FJ, Crawford JL, van Boom JH, Van der Marel G, Rich A: Molecular structure of a left-handed double helical DNA fragment at atomic resolution. In: Nature (London). 282. Jahrgang, 1979, S. 680–686, PMID 514347.
↑ ^a ^b Sung Chul Ha, Ky Lowenhaupt, Alexander Rich, Yang-Gyun Kim, Kyeong Kyu Kim: Crystal structure of a junction between B-DNA and Z-DNA reveals two extruded bases. In: Nature. Band 437, Nr. 7062, 20. Oktober 2005, S. 1183–1186, doi:10.1038/nature04088, PMID 16237447.
↑ P. Christoph Champ, Sandor Maurice, Jeffrey M. Vargason, Tracy Camp, P. Shing Ho: Distributions of Z-DNA and nuclear factor I in human chromosome 22: a model for coupled transcriptional regulation. In: Nucleic Acids Research. Band 32, Nr. 22, 2004, S. 6501–6510, doi:10.1093/nar/gkh988, PMID 15598822.
↑ Judith G. Voet, Charlotte W. Pratt: Lehrbuch der Biochemie. Hrsg.: Annette Beck-Sickinger, Ulrich Hahn. 2., aktualisierte und erw. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2010, ISBN 978-3-527-32667-9.

[1] F. M. Pohl, T. M. Jovin: Salt-induced co-operative conformational change of a synthetic DNA: equilibrium and kinetic studies with poly (dG-dC). In: Journal of Molecular Biology. Band 67, Nr. 3, 28. Juni 1972, S. 375–396, PMID 5045303.

[2] T. J. Thamann, R. C. Lord, A. H. Wang, A. Rich: The high salt form of poly(dG-dC)•poly(dG-dC) is left-handed Z-DNA: Raman spectra of crystals and solutions. In: Nucleic Acids Research. Band 9, Nr. 20, 24. Oktober 1981, S. 5443–5457, PMID 7301594.

[Wang1979-3] Wang AHJ, Quigley GJ, Kolpak FJ, Crawford JL, van Boom JH, Van der Marel G, Rich A: Molecular structure of a left-handed double helical DNA fragment at atomic resolution. In: Nature (London). 282. Jahrgang, 1979, S. 680–686, PMID 514347.

[Ha2005-4] Sung Chul Ha, Ky Lowenhaupt, Alexander Rich, Yang-Gyun Kim, Kyeong Kyu Kim: Crystal structure of a junction between B-DNA and Z-DNA reveals two extruded bases. In: Nature. Band 437, Nr. 7062, 20. Oktober 2005, S. 1183–1186, doi:10.1038/nature04088, PMID 16237447.

[Champ2004-5] P. Christoph Champ, Sandor Maurice, Jeffrey M. Vargason, Tracy Camp, P. Shing Ho: Distributions of Z-DNA and nuclear factor I in human chromosome 22: a model for coupled transcriptional regulation. In: Nucleic Acids Research. Band 32, Nr. 22, 2004, S. 6501–6510, doi:10.1093/nar/gkh988, PMID 15598822.

[6] Judith G. Voet, Charlotte W. Pratt: Lehrbuch der Biochemie. Hrsg.: Annette Beck-Sickinger, Ulrich Hahn. 2., aktualisierte und erw. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2010, ISBN 978-3-527-32667-9.

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