Правила Чаргаффса - Википедия - Chargaffs rules

Правила Чаргаффа утверждать, что ДНК от любого вида любого организма должно иметь стехиометрическое соотношение 1: 1 (правило пар оснований) пиримидин и пурин баз и, более конкретно, что количество гуанин должно быть равно цитозин и количество аденин должно быть равно тимин. Этот паттерн присутствует в обеих цепях ДНК. Их открыл химик австрийского происхождения. Эрвин Чаргафф,^[1][2] в конце 1940-х гг.

Определения

Правило первой четности

Первое правило гласит, что двухцепочечный ДНК молекула глобально имеет процентное равенство пар оснований:% A =% T и% G =% C. Строгая проверка правила составляет основу Пары Уотсона-Крика в модели двойной спирали ДНК.

Правило второй четности

Второе правило гласит, что как% A ≈% T, так и% G ≈% C действительны для каждой из двух цепей ДНК.^[3] Это описывает только глобальную особенность базового состава в одной цепи ДНК.^[4]

Исследование

Второе правило четности было открыто в 1968 году.^[3] Он утверждает, что в одноцепочечной ДНК количество адениновых единиц равно примерно равно тимину (% A ≈ % T), а количество цитозиновых единиц составляет примерно равен гуанину (% C ≈ %ГРАММ).

Первое эмпирическое обобщение второго правила четности Чаргаффа, называемое принципом симметрии, было предложено Винаякумаром В. Прабху. ^[5] в 1993. Этот принцип гласит, что для любого данного олигонуклеотида его частота приблизительно равна частоте его комплементарного обратного олигонуклеотида. Теоретическое обобщение^[6] был математически выведен Мишелем Э. Б. Ямагиши и Роберто Х. Хераи в 2011 году.^[7]

В 2006 году было показано, что это правило распространяется на четыре^[2] пяти типов двухцепочечных геномов; в частности, это относится к эукариотический хромосомы, то бактериальный хромосомы, двухцепочечные ДНК вирусные геномы и архей хромосомы.^[8] Это не относится к органеллярные геномы (митохондрии и пластиды ) менее ~ 20-30 kbp, также он не применяется к одноцепочечным ДНК (вирусным) геномам или любому типу РНК геном. Основание для этого правила все еще исследуется, хотя размер генома может иметь значение.

Само правило имеет последствия. В большинстве бактериальных геномов (которые обычно кодируют на 80-90%) гены расположены таким образом, что примерно 50% кодирующей последовательности лежит на любой цепи. Вацлав Шибальский в 1960-х годах показали, что в бактериофаг кодирующие последовательности пурины (A и G) превышают пиримидины (C и T).^[9] Это правило с тех пор было подтверждено на других организмах, и теперь его, вероятно, следует назвать "Правило Шибальского ". Хотя правило Шибальского в целом соблюдается, известны исключения.^[10][11][12] Биологическая основа правления Шибальского, как и правления Чаргаффа, еще не известна.

Комбинированный эффект второго правила Чаргаффа и правила Шибальского можно увидеть в бактериальных геномах, где кодирующие последовательности распределены неравномерно. В генетический код имеет 64 кодоны из которых 3 функционируют как кодоны терминации: всего 20 аминокислоты обычно присутствует в белках. (Есть две необычные аминокислоты -селеноцистеин и пирролизин - обнаружены в ограниченном количестве белков и кодируются стоп-кодоны -TGA и TAG соответственно.) Несоответствие между количеством кодонов и аминокислот позволяет нескольким кодонам кодировать одну аминокислоту - такие кодоны обычно различаются только в положении третьего кодона.

Многофакторный статистический анализ использования кодонов в геномах с неодинаковыми количествами кодирующих последовательностей на двух цепях показал, что использование кодонов в третьей позиции зависит от цепи, на которой расположен ген. Вероятно, это результат правил Шибальского и Чаргаффа. Из-за асимметрии в использовании пиримидина и пурина в кодирующих последовательностях цепь с большим кодирующим содержанием будет иметь тенденцию иметь большее количество пуриновых оснований (правило Шибальского). Поскольку количество пуриновых оснований будет с очень хорошим приближением равняться количеству их комплементарных пиримидинов в одной и той же цепи, и, поскольку кодирующие последовательности занимают 80-90% цепи, оказывается, что (1) давление отбора на третьем основании, чтобы минимизировать количество пуриновых оснований в цепи с большим кодирующим содержанием; и (2) что это давление пропорционально несовпадению длины кодирующих последовательностей между двумя цепями.

Предполагается, что происхождение отклонения от правила Чаргаффа в органеллах является следствием механизма репликации.^[13] Во время репликации нити ДНК разделяются. В одноцепочечной ДНК цитозин самопроизвольно медленно дезаминируется до аденозин (от C до A трансверсия ). Чем длиннее разделены пряди, тем больше дезаминирование. По причинам, которые еще не ясны, эти цепи имеют тенденцию существовать дольше в одной форме в митохондриях, чем в хромосомной ДНК. Этот процесс имеет тенденцию давать одну нить, обогащенную гуанин (G) и тимин (T) с его дополнением, обогащенным цитозином (C) и аденозином (A), и этот процесс, возможно, вызвал отклонения, обнаруженные в митохондриях.^{[нужна цитата ][сомнительный – обсуждать]}

Второе правило Чаргаффа, по-видимому, является следствием более сложного правила четности: в одной цепи ДНК любой олигонуклеотид присутствует в равных количествах с его обратным комплементарным нуклеотидом. Из-за вычислительных требований это не было проверено во всех геномах для всех олигонуклеотидов. Это было проверено для триплетных олигонуклеотидов для большого набора данных.^[14] Альбрехт-Бюлер предположил, что это правило является следствием эволюции геномов в процессе инверсия и транспозиция.^[14] Похоже, что этот процесс не повлиял на митохондриальные геномы. Второе правило четности Чаргаффа, по-видимому, распространяется с уровня нуклеотидов на популяции триплетов кодонов в случае цельной одноцепочечной ДНК генома человека.^[15] Своего рода «второе правило четности Чаргаффа на уровне кодонов» предлагается следующим образом:

Внутрицепочечные отношения между процентами популяции кодонов

Первый кодон	Второй кодон	Предлагаемая связь	Подробности
Twx (1-я базовая позиция - Т)	yzA (3-я базовая позиция - A)	% Twx ${ displaystyle simeq}$ % yzA	Twx и yzA являются зеркальными кодонами, например TCG и CGA
Cwx (1-я базовая позиция - C)	yzG (3-я базовая позиция - G)	% Cwx ${ displaystyle simeq}$ % yzG	Cwx и yzG являются зеркальными кодонами, например CTA и ТЕГ
wTx (2-я базовая позиция - Т)	yAz (2-я базовая позиция - A)	% wTx ${ displaystyle simeq}$ % yAz	wTx и yAz являются зеркальными кодонами, например CTG и CAG
wCx (2-я базовая позиция - C)	yGz (2-я базовая позиция - G)	% wCx ${ displaystyle simeq}$ % yGz	wCx и yGz являются зеркальными кодонами, например TCT и AGA
wxT (3-я базовая позиция - Т)	Айз (1-я базовая позиция - A)	% wxT ${ displaystyle simeq}$ % Айз	wxT и Айз являются зеркальными кодонами, например CTT и AAG
wxC (3-я базовая позиция - C)	Гыз (1-я базовая позиция - G)	% wxC ${ displaystyle simeq}$ % Гыз	wxC и Гыз являются зеркальными кодонами, например GGC и GCC

Примеры - вычисление полного генома человека с использованием первой рамки считывания кодонов дает: 36530115 TTT и 36381293 AAA (соотношение% = 1,00409). 2087242 TCG и 2085226 CGA (соотношение% = 1.00096) и т. Д.

В 2020 году было показано, что физические свойства дцДНК (двухцепочечной ДНК) и стремление к максимальной энтропии всех физических систем являются причиной второго правила четности Чаргаффа.^[16] Симметрии и паттерны, присутствующие в последовательностях дцДНК, могут возникать из-за физических особенностей молекулы дцДНК и принципа максимальной энтропии, а не из-за биологического или эволюционного давления окружающей среды.

Процент оснований в ДНК

Следующая таблица представляет собой репрезентативный образец данных Эрвина Чаргаффа за 1952 год, в котором перечислены основные составы ДНК различных организмов и поддерживаются оба правила Чаргаффа.^[17] Организм, такой как φX174, со значительным отклонением от A / T и G / C, равного единице, указывает на одноцепочечную ДНК.

Смотрите также

• Генетические коды

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Шибальский В., Кубинский Н., Шелдрик П. (1966). «Пиримидиновые кластеры на транскрибирующих цепях ДНК и их возможная роль в инициации синтеза РНК». Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии. 31: 123–127. Дои:10.1101 / SQB.1966.031.01.019. PMID  4966069.
• Лобры-младший (1996). «Асимметричные схемы замещения в двух цепях ДНК бактерий». Мол. Биол. Evol. 13 (5): 660–665. Дои:10.1093 / oxfordjournals.molbev.a025626. PMID  8676740.
• Лафай Б., Ллойд А.Т., Маклин М.Дж., Дивайн К.М., Шарп П.М., Вулф К.Х. (1999). «Состав протеома и использование кодонов у спирохет: видоспецифические и специфичные для цепи ДНК мутационные ошибки». Нуклеиновые кислоты Res. 27 (7): 1642–1649. Дои:10.1093 / nar / 27.7.1642. ЧВК  148367. PMID  10075995.
• Маклин MJ, Вулф KH, Девайн KM (1998). «Несовпадение состава основания, ориентация репликации и ориентация генов в 12 геномах прокариот». Дж Мол Эвол. 47 (6): 691–696. Bibcode:1998JMolE..47..691M. CiteSeerX  10.1.1.28.9035. Дои:10.1007 / PL00006428. PMID  9847411. S2CID  12917481.
• Макинерни Джо (1998). «Репликационный и транскрипционный отбор по использованию кодонов у Borrelia burgdorferi». Proc Natl Acad Sci USA. 95 (18): 10698–10703. Bibcode:1998ПНАС ... 9510698М. Дои:10.1073 / пнас.95.18.10698. ЧВК  27958. PMID  9724767.

внешняя ссылка

• База данных генома CBS - содержит сотни примеров базовых перекосов и возникли проблемы.^[1]
• База данных геномов Z-кривой - инструмент трехмерной визуализации и анализа геномов.^[2]