Hans Journal of Biomedicine
Vol.4 No.02(2014), Article ID:13372,4 pages
DOI:10.12677/HJBM.2014.42003

Z-DNA and Human Diseases

Wenqi Zhou1, Shizhe Chen1, Tianjun Ma1, Jinming Li2*, Yanfang Guo2*

1Eight-Year, First School of Clinical Medicine, Southern Medical University, Guangzhou

2School of Basic Medical Sciences, Southern Medical University, Guangzhou

Email: *guoyanfang@gmail.com, *jmli@smu.edu.cn

Copyright © 2014 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

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Received: Jan. 24th, 2014; accepted: Mar. 14th, 2014; accepted: Mar. 23rd, 2014

ABSTRACT

Z-DNA structure was found by Rich et al. in 1979. Being different from the common B-DNA structure, Z-DNA has its own special conformation and biological functions, and the research on Z-DNA arrests more and more attentions in the recent years. It has been reported that Z-DNA plays important roles in gene regulation, tumor pathogenesis and viral infections.

Keywords:Z-DNA, Z-DNA Binding Protein, Human Disease, Gene Regulation

Z-DNA与人类疾病

周文琪1,陈诗哲1,马天骏1,李金明2*,郭艳芳2*

1南方医科大学第一临床医学院八年制,广州

2南方医科大学基础医学院生物信息学系,广州

Email: *guoyanfang@gmail.com, *jmli@smu.edu.cn

收稿日期:2014年1月24日;修回日期:2014年3月14日;录用日期:2014年3月23日

摘  要

Z-DNA在1979年被Rich等人发现,它处于高能状态而不稳定,不同于传统的B-DNA,Z-DNA以其特殊的构象和重要生物学功能越来越受到人们关注,与其作用相关的Z-DNA结合蛋白也备受关注。Z-DNA有其特殊的序列和形成条件,其重要生物学功能也逐渐被揭开面纱,在基因调控、肿瘤发生与病毒感染中都有重要作用。

关键词

Z-DNA,Z-DNA结合蛋白,人类疾病,基因调控

1. 概述

Z-DNA是一种左手螺旋的双链DNA,因其糖磷酸骨架排列呈Z型而得名[1] [2] 。早在1971年,Pohl等就发现高盐溶液与低盐溶液中d(GC)n的圆二色性色谱完全相反[3] ,这个谜底在1979年由Rich[4] 发现,他通过X线衍射法测得Z-DNA结晶片段中各原子的位置,从而证实了Pohl的猜想,即存在这种与传统B-DNA模型不同的左旋Z型构象的DNA。

2. 形成条件与转换特点

Z-DNA是一种高能的DNA,且形成短暂,很容易变回B-DNA,这也给它的研究带来了一定的麻烦。目前,单晶体X射线衍射法(single-crystal X-ray)、扫描隧道显微镜(STM)、圆二色谱(circular dichroism, CD)和琼脂糖凝胶双向电泳可在体外鉴定Z-DNA[5] 。

如今也有很多方法促进和维持Z-DNA的形成,如高盐状态下,一价或二价阳离子,如Na+、Mg2+、Ca2+和Ba2+等能有效屏蔽Z-DNA所需的高能,使Z-DNA稳定。又如多胺类(精胺、腐胺和精眯)、化学修饰剂(甲基化剂和卤化剂)、稀土元素[6] 等均利于Z-DNA形成并稳定。此外,负超螺旋在细胞内也是刺激形成Z-DNA的原因,负超螺旋在生物系统的DNA代谢中很常见,包括复制,转录等。转录时,RNA聚合酶在DNA双链上移动产生负超螺旋,DNA双链解开,从而产生反向扭转力使Z-DNA稳定[2] 。而在体内,Z-DNA常需要一些特定结构域的蛋白质来稳定其构象,即Z-DNA结合蛋白。最近研究还发现荧光碳点可促进B-DNA向Z-DNA的转换,且具有序列和构象特异性,偏好于结合DNA深沟的GC序列[7] 。

DNA B-Z的转变备受关注,不仅因为它重要的生物特性,还因为它与疾病和DNA纳米技术关系密切[8] 。DNA纳米技术可利用DNA的B-Z转换来设计和产生人工核酸结构,并用于生物合成[9] 。

关于B-Z转换时的结构变化,韩国一个研究小组发现,每当一个DNA片段从B-DNA转变为Z-DNA时,就有两个B-Z连接形成,在两种DNA片段之间,出现连续的碱基堆积现象,然后连接处的一对碱基对断裂,两侧各有一个碱基被挤出,这些被挤出去的碱基可能是DNA修饰位点[10] 。而且DNA的这种变换几乎只破坏并挤出了双链中一对碱基对,结构破坏小,这样的B-Z连接通常较稳定。

3. 结构与分布特点

尽管上述各种条件可以促使Z-DNA的形成,Z-DNA的核苷酸序列仍有其特点,即嘌呤与嘧啶的交替排列[7] 。最常形成Z-DNA的是d(GC)n,其次是d(TG)n的重复序列,而d(AT)则不太利于Z-DNA形成,可能与A-T碱基对中氨基缺乏,不能在螺旋沟内与水分子形成氢键,而使附近水分子呈无序状态有关[11] 。此外,除了这种交替排列的嘌呤–嘧啶序列,其他序列如d(GGGC)n也有转变为Z-DNA构象的潜力[12] 。这些具有形成Z-DNA潜在能力的区段称为潜在Z-DNA,如今也有一些程序可以探测这些潜在的Z-DNA序列,如Z-Hunt[13] 。

在Z-DNA结构中,嘌呤是顺式构象,而嘧啶是反式构象,这样交替的顺反式构象就Z-DNA的骨架呈Z型[1] ,B-DNA的嘌呤和嘧啶则都是反式构象。同时与B-DNA相比,Z-DNA的只有一条深沟,B-DNA有主沟和副沟之别,且Z-DNA较纤细,排列较紧密,每个螺旋比B-DNA多1~2个碱基对。

此外Z-DNA的分布也有其偏好,潜在的Z-DNA序列常在基因的5’末端发现,大部分分布于转录位点附近或启动子区域,估计80%的基因转录起始位点都有易于形成Z-DNA的序列[13] 。但也有研究发现在他们鉴定的186个Z-DNA热点中,有46个位于着丝粒区域,只有2个位于启动子区域。总之,这都暗示这样的Z-DNA序列与基因调控有着一定关系。

4. Z-DNA的生物学功能

4.1. 与转录的关系

Z-DNA不能形成核小体[14] ,这样一种位于转录起始位点附近的结构能招来转录因子,转录就能发生,它不仅能够激活转录,同时也能抑制转录。

研究发现集落刺激因子-1(CSF-1)基因的转录需要Z-DNA构象的存在[10] [15] 。在c-MYC基因启动子附近的3个DNA片段仅在其处活性转录时才与抗Z-DNA抗体结合,如果C-MYC停止转录,这些片段就回复到B-DNA。此外,Nie等[16] 也发现ADAR1通过与核因子90(NF90)作用,能上调NF90介导的靶基因的转录,NF90与ADAR1及其Z-DNA结合域的作用在这个过程中有着重要作用[17] 。

Z-DNA的转录抑制可能是由于在转录过程中Z-DNA阻滞了转录机器的缘故。例如在体外,启动子附近的Z-DNA构象(CG)16负超螺旋序列将大肠杆菌RNA聚合酶被阻挡在这个序列边界,只有当Z-DNA序列转变为B-DNA时,转录机器才能通过[18] 。此外,一段包含Z-DNA元件的序列,很可能不能召集相关的转录因子[5] ;再者,Z-DNA结合蛋白可能与靶DNA序列的亲和力更高,而将干扰转录因子与靶DNA的结合。可见Z-DNA的这种抑制作用机制较多,还有待进一步研究分析。

4.2. 遗传不稳定性

2006年,Wang等[19] 发现(CG)14形成的Z-DNA在细菌和哺乳动物细胞中能高度诱导遗传不稳定,其他研究也发现Z-DNA频繁出现在染色体断裂热点中[1] ,暗示Z-DNA造成的遗传不稳定性与其参与染色体断裂和异位有关系。在哺乳动物细胞中,这样的Z-DNA能诱发其附近的DNA双链断裂,导致整个重复序列和侧翼的突变报告基因大面积删除,这与白血病和淋巴瘤中染色体断裂点的结果相一致,这也许是这类疾病染色体基因异位现象的诱因,而同时这种细胞环境,如活化的转录可能增加Z-DNA相关的遗传不稳定性[19] 。推测Z-DNA诱导的遗传不稳定性和复制滑动有关[5] 。

4.3. 基因重组

William等做的黑粉菌实验指出,Z-DNA在基因重组中起非常重要的过渡作用。黑粉菌中的recl酶能使染色体在第一次配对后互换片段,它催化的配对反应促使Z-DNA的形成,这种酶与Z-DNA的亲和力是它与B-DNA的75倍,这一紧密结合是这一时期的主要特征[20] 。此外,Z-DNA诱导的遗传不稳定性可能会促进基因重组,如酵母中的GT序列(34bp)能够促进减数分裂重组[21] ,另一方面,由Z-DNA诱导的DNA双链断裂也很可能导致基因重组,如非等位姐妹染色单体会发生交换。

5. 与人类疾病

5.1. 自身免疫疾病

在自身免疫疾病中,已发现有抗Z-DNA的抗体存在[22] 。多胺配合转录因子,促进Z-DNA构象形成和转录起始,多胺诱导的Z-DNA表现出一定的致病作用,尤其是在血清循环里的DNA,它能促进DNA与抗DNA抗体的作用。如红斑狼疮病人体内升高的多胺促进DNA和抗DNA抗体的结合,从而形成免疫复合物[23] 。所以抑制多胺的药物能够治疗涉及Z-DNA的人类自身免疫疾病[1] 。

5.2. 阿尔兹海默症

阿尔兹海默症(AD)是老年人最常见的痴呆症,其特点是神经元脱失,神经纤维缠结以及老年斑。Suram[24] 等发现AD大脑海马区出现Z-DNA,而在年龄相仿的对照组中没有这种现象,AD患者体内多胺的升高可能与这种DNA构象改变有关。另外,人类基因组序列分析发现在AD特异性基因,如PS1,PS2及APOE的5’端有富含GC的潜在Z-DNA序列[25] 。β淀粉样蛋白是其重要致病因素[26] 。2004年,Hegde[27] 研究认为Aβ可促进DNA向类似Z-DNA的构象改变,猜测Aβ促进Z-DNA构象形成并稳定该构象,Z-DNA也在AD的病理学中有扮演重要的角色。但2010年,Jie Geng[25] 等实验发现Aβ多聚体(非单体)可能促进DNA的Z-B转变,同时使用Aβ聚合抑制剂姜黄素能阻滞DNA的Z-B转变,而Z-DNA的形成使Aβ聚合停留在低聚物阶段,阻滞其纤维化。

5.3. 血液系统疾病

血液系统肿瘤(如白血病,淋巴瘤,骨髓瘤)普遍的基因改变是染色体异位,免疫球蛋白和T细胞受体基因是这种异位常见的作用位点,因为这些基因在相关血细胞中有激活剂,且DNA双链断裂也可在这些基因处自然发生。这些致癌基因的断裂热点常位于能够形成Z-DNA或其他非B-DNA的区域[1] 。如t(12;21)(p13;q22)异位(融合ETV6和AML1基因)是婴幼儿B细胞前体急性淋巴细胞白血病最常见的染色体异位,而ETV6基因的交替嘌呤–嘧啶Z-DNA序列附近发现了一些断裂点[28] 。

5.4. 肿瘤

致癌物常攻击DNA的鸟嘌呤残基,而对于Z-DNA构象的稳定,顺式鸟嘌呤起着重要作用,Z-DNA中顺式鸟嘌呤上的N7和C8暴露于主链外,易受到致癌剂攻击[19] 。Z-DNA还可能与金属离子诱导的癌变有关,与镍等金属离子结合能稳定Z-DNA的结构,同时这种与DNA的反应也许会造成选择性的伤害,最终产生致癌作用[1] 。此外,Z-DNA结合蛋白,比如ADAR1,在不同的肿瘤中表达不同,可能上调,也可能下调。总之,Z-DNA及其结合蛋白与肿瘤的关系是不容忽视的,具体机制还需在未来的研究中继续探索。

6. 展望

从Z-DNA发现以来,有关于它的研究不断报导,它的价值也逐渐被人们认识。目前的研究证据足以证明Z-DNA及Z-DNA结合蛋白与许多病理过程有关,使得人们可从另一个新的角度认识各种疾病的机制。虽然Z-DNA在体内的作用机制并不那么明朗,但其重要作用已不容置喙,未来的研究则主要是更全面地探索它在体内的作用机制,为疾病研究及药物研发提供更完备科学的依据。

基金项目

国家自然科学基金面上项目(31371290);广东省高校人才引进专业(粤财字2011-430);高等学校博士学科点专项科研基金(20124433120006);广东省优秀青年人才培养项目(LYM11040)。

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NOTES

*通讯作者。

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