DNA的二级结构与功能（2）

，直径变窄(1.8nm)，每个螺旋含12个碱基对，分子长链中磷原子不是平滑延伸而是锯齿形排列，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(图15-7)。进一步的分析还证明，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。

图15－7　Z－DNA和B－DNA

　　Z－DNA有什么生物学意义呢?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，这会产生静电排斥。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，因此认为这一结构与基因调节有关。比如SV40增强子区中就有此结构，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，使调控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中出现嘌呤一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学功能。

　　多年来，DNA结构的研究手段主要是X射线衍射技术，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(scanning tummeling microscopy,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。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。

　　(三)DNA结构的不均一性(heterogeneity)

　　在DNA的一级结构中，四种碱基A，T，C，G远非均匀分布，尽管双螺旋的构型大体相同，但沿着DNA链各处的物理结构不完全相同，各处双螺旋的稳定性也就显示出差别，充分体现了DNA一级结构决定高级结构的原理。其不均一性主要有：

　　1.反向重复序列(inverted repeats)

　　又称回文序列(palindrome)，它能在DNA或RNA中形成发夹结构。这种回文结构通常是作为一种特别信号，如限制性核酸内切酸(restriction encl闩迥onuclease)及调节蛋白的识别位点，转录终止信号等。

　　2.富含A/T的序列

　　在高等生物中，A+T与G＋C的含量差不多相等，然而在它们的染色体某一区域，A·T含量可能相当高。如在很多有重要调节功能的DNA区段都富含A·T，特别是在复制起点和启动子的Pribnow框(真核生物为TATA框)的序列中，其对于复制和起始十分重要。因为A－T对只有二条氢键，此处的双链较G－C对处易于解开，有利于起始复合物的形成。

　　3.嘌呤和嘧啶的排列顺序对双螺旋结构稳定性的影响。

　　人们考察了十种相邻的二核苷酸对(nearest?neighbor doublets)，发现一个非常有趣的现象，那就是碱基组成相同，但嘌呤和嘧啶的排列顺序不同，双螺旋的稳定性具有显著的差异。例如5′Gc 3′　3′G 5′和5′GC 3′　3′GC 5′的稳定性相差很大，前者的稳定性远大于后。它们的氢键数目是相同的，它们的差别在于相邻碱基之间的堆集力不同。即从嘌呤到嘧啶的方向的碱基堆集作用显著地大于同样组成的嘧啶到嘌呤方向的碱基堆集作用。(这里的方向就是常规的从5′端到3′端的方向)。这是因为前者的嘌呤环和嘧啶环重迭面积大于后者的嘧啶环和嘌呤环的重迭面积，这在B型DNA中确是如此。

　　根据Gotoh 1981年的研究，十种相邻二核苷酸对的Tm值如表15?所示，单位为℃，所用离子强度为19.5mmol/l Na＋。

表15－5　相邻二核苷酸对Tm值

　 3′ A T G C 5′ A 54.50 57.02 58.42 97.73 T 36.73 54.50 54.71 86.44 G 86.44 97.73 85.97 136.12 C 54.71 58.42 72.55 85.97

　　由表15-5可以看到，5′TA 3′ 3′AT5′的Tm值最低。在真核生物中，常可以在?19到?27的位置上看到一个叫做TATA框的结构(又称Hogness框)，这是RNA聚合酶的结合位点。在这里RNA聚合酶和有关蛋白质因子形成转录起始复合物。

　　又如，生命有机体选择UAA作为最有效的终止密码子绝不是偶然的，因为64个三联体密码子中，它与反密码子(假定有的话)形成的互补产物5′UAA3′3′AUU5′的Tm值是最低的一个，即使在生理温度下也是不稳定的。当初有人花了很多工夫去寻找一个不携带氨基酸的专供肽链终止用的tRNA，其实并不存在这种tRNA。肽链的释放是由释放因子RF在起作用。在三种终止密码子中，UAG和UGA常会为突变型的tRNA无义抑制，而UAA则很少发生无义抑制也可能就是这个道理。这也就说明了为什么在肽链终止处常常会出现双重终止密码子。

　　(四)DNA的变性、复性与分子杂交

　　DNA双螺旋结构模型，不仅与其生物功能有密切关系，还能解释DNA的重要特性棗变性与复性，这对于深入了解DNA分子结构与功能的关系又有重要意义。

　　1.DNA变性(denaturation)

　　指DNA分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线性结构的现象。变性时维持双螺旋稳定性的氢键断裂，碱基间的堆积力遭到破坏，但不涉及到其一级结构的改变。凡能破坏双螺旋稳定性的因素，如加热、极端的pH、有机试剂甲醇、乙醇、尿素及甲酰胺等，均可引起核酸分子变性。变性DNA常发生一些理化及生物学性质的改变：

　　溶液粘度降低。DNA双螺旋是紧密的刚性结构，变性后代之以柔软而松散的无规则单股线性结构，DNA粘度因此而明显下降。

　　溶液旋光性发生改变。变性后整个DNA分子的对称性及分子局部的构性改变，使DNA溶液的旋光性发生变化。

15－8　核酸的解链曲线

　　增色效应(hyperchromic effect)。指变性后DNA溶液的紫外吸收作用增强的效应。DNA分子中碱基间电子的相互作用使DNA分子具有吸收260nm波长紫外光的特性。在DNA双螺旋结构中碱基藏入内侧，变性时DNA双螺旋解开，于是碱基外露，碱基中电子的相互作用更有利于紫外吸收，故而产生增色效应。

　　对双链DNA进行加热变性，当温度升高到一定高度时，DNA溶液在260nm处的吸光度突然明显上升至最高值，随后即使温度继续升高，吸光度也不再明显变化。若以温度对DNA溶液的紫外吸光率作图，得到的典型DNA变性曲线呈S型(图15?8)。可见DNA变性是在一个很窄的温度范围内发生的。通常将核酸加热变性过程中，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为核酸的解链温度，由于这一现象和结晶的融解相类似，又称融解温度(Tm,melting temperature)。在Tm时，核酸分子内50%的双螺旋结构被破坏。特定核酸分子的Tm值与其G＋C所占总碱基数的百分比成正相关，两者的关系可表示为：

　　Tm=69.3＋0.41(%G+C)

　　一定条件下(相对较短的核酸分子)，Tm值大小还与核酸分子的长度有关，核酸分子越长，Tm值越大；另外，溶液的离子强度较低时，Tm值较低，融点范围也较宽，反之亦然，因此DNA制剂不应保存在离子强度过低的溶液中。

　　2.DNA复性(renaturation)

　　指变性DNA在适当条件下，二条互补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象，它是变性的一种逆转过程。热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性，此过程称之为退火(annealing)。这一术语也用以描述杂交核酸分子的形成(见后)。DNA的复性不仅受温度影响，