Как я уже много раз писал, в апреле 1979 г. мне пришла в голову идея о новой модели молекулы ДНК (см. заметку «40 лет моей гипотезе о ДНК» <). В конце того же года написал маленькую статью и разослал её в биологические институты. В те времена было принято отвечать на обращения граждан, так что я получил ряд ответов — от конкретной критики до простых отписок.
Критика сводилась к тому, что пока это лишь голая идея, и мне нужно обосновать модель в разных аспектах. Прежде всего, показать, что она стерически возможна (т.е. решить конформационную проблему — дать координаты атомов) и что она не противоречит рентгеновским данным; указывалось, что недавние эксперименты опровергли альтернативную Бок-о-Бок модель (тоже не перекрученную), и значит, вопрос о подобных моделях в принципе уже закрыт (как я разъяснял, это утверждение было ошибочным).
Решить стерическую проблему можно двумя методами — теоретическим конформационным анализом на компьютерах (такие работы велись тогда во многих местах) и моделированием руками из атомного конструктора (штырьковые или объёмные модели). Как я узнал, биолог из Тартуского университета Райк-Хийо Микельсаар разрабатывал собственный набор объёмных атомных моделей, и я установил с ним контакт.
Через несколько лет его модели были успешно реализованы (см. заметку в ХиЖ, 1985, № 11, с. 58 <МоделХиЖ-85.11>), и мне вместе с Микельсааром удалось построить несколько (предварительных, грубых) моделей ленты-спирали. Одну из них я показал при своём кратком выступлении на заключительном заседании Всесоюзной школы по биофизике нуклеиновых кислот в Харькове летом 1983 г. А в следующем году, благодаря инициативе Бориса С. Филиппа из Института прикладной физики АН Молдавии (я познакомился с ним на Биофизическом съезде 1982 г. в Москве), мы опубликовали тезисы доклада в материалах Первой республиканской конференции по биофизике (Кишинёв, 1984).
К сожалению, по некоторым субъективным причинам эта совместная с Р. Микельсааром работа не была доведена до логического конца — создания качественной модели ленты-спирали и публикации результатов в научном журнале; поэтому её отражение в тезисах кишинёвской конференции осталось единственным. (Позднее я опубликовал подробную статью «Двойная спираль или лента-спираль?» в ХиЖ, 1999, № 9 <Лента-спираль>.)
Приведу текст опубликованных тезисов доклада на конференции в Кишинёве:
======================================================================
АКАДЕМИЯ НАУК МОЛДАВСКОЙ ССР
Научный совет по биофизике
Институт прикладной физики
ПЕРВАЯ РЕСПУБЛИКАНСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
ПО БИОФИЗИКЕ
(2—3 июля 1984 года)
Тезисы докладов
Кишинев. «Штиница». 1984
======================================================================
(Стр. 23)
НОВАЯ СПИРАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ДВУХЦЕПОЧЕЧНОГО ПОЛИНУКЛЕОТИДА
Л.И. Верховский, Р.-Х.Н. Микельсаар
Центральный научно-исследовательский институт связи, Москва
Тартуский государственный университет
В последние годы резко повысился интерес к конформационным возможностям ДНК. Это связано с двумя обстоятельствами. С одной стороны, экспериментально обнаружена широкая вариабельность ДНК [1], известны и незакрученные состояния (например, в D-петлях, V-форме, в комплексе с интеркаляторами). С другой стороны, для классической двойной спирали имеются серьёзные трудности в объяснении механизма разделения нитей при репликации. Эти трудности не сняты с открытием раскручивающих белков (топоизомераз) [2], тем более, что участие данных белков в репликации опытным путём не показано [3]. Приведённые факты, а также отсутствие прямых данных, подтверждающих, что нативная ДНК соответствует модели Уотсона и Крика, служат основанием для выдвижения альтернативных моделей. В 1976 г. была предложена так называемая SIDE-BY-SIDE модель [4, 5], которая была опровергнута специальными экспериментами с кольцевыми ДНК [6].
Предлагается новая спиральная структура для двухцепочечного полинуклеотида, названная «лентой-спиралью». Две противоположно направленные сахарофосфатные цепи образуют пространственные спирали, параллельно сдвинутые относительно друг друга на длину мостика пары оснований. В отличие от двойной спирали соседние пары оказываются не закрученными, а сдвинутыми параллельно. Две цепи не образуют зацеплений и могут легко разделяться. Размер витка и расстояния между соседними парами те же, что и в двойной спирали.
Лента-спираль является нерегулярной спиралью – структура повторяется при трансляции вдоль главной оси на расстояния, кратные размеру витка, а внутри витка в одной цепи все двугранные углы различны. Имеется, однако, ось симметрии второго порядка, перпендикулярная главной оси молекулы, поэтому наименьшим повторяющимся мотивом является участок длиной 5 пар оснований. Две широкие стороны этой лентоподобной структуры стереохимически неэквивалентны, одна сторона соответствует малому желобку двойной спирали, другая большому.
Используя тартуские объёмные модели [7], построено несколько вариантов структур этого типа. Исследования на моделях показали, в частности, что стерически возможна левая лента-спираль, в которой каждый тяж внутри витка имеет по одному излому (сдвиг между ними – полвитка). Ширина малого желоба варьирует от 0,4 до 1 нм (в направлении, перпендикулярном главной оси). Плоскости оснований перпендикулярны оси молекулы, все сахара находятся в С2`-эндо-конформации. Измерены двугранные углы построенных структур. На моделях рассмотрены варианты упаковки молекул в виде лент-спиралей в кристаллах, оценены параметры кристаллической решётки.
Предложенная структура обладает интересными свойствами с точки зрения конденсированной формы ДНК, нуклеосомной организации, нуклеино-нуклеинового узнавания, эффектов суперспирализации и в других аспектах.
ЛИТЕРАТУРА
- Arnott S., Bond P.J. Chandrasekran R. – Nature, 1980, v.287, p.561—563.
- Pohl W.R., Roberts G.W. – J. Math. Biol., 1978, v.6, p.384—402.
- Терещенко О.Д., Хайдарова Н.В. – Успехи современной биологии, 1983, т.96, вып.1(4), с.28—45.
- Rodley, G. A., Scobie, R. S., Bates, R. H. and Lewitt, R. M. — Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1976, 73, p.2959—2963.
- Sasisekharan V., Pattabiraman N. – Curr. Sci., 1976, v.45, p.776—782.
- Wang J.C. — Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1979, 76, p.200—203.
- Микельсаар Р.Х.-Н. Тезисы Первого Всесоюзного биофизического съезда (3—8 августа 1982 г.). Т. IV. – М., с.103.
================================================================
Тезисы были опубликованы на русском языке. Приведу их перевод на английский:
ACADEMY OF SCIENCES OF THE MOLDAVIAN SSR
Scientific Council on Biophysics
Institute of Applied Physics
THE FIRST REPUBLICAN CONFERENCE IN BIOPHYSICS
(2-3 July 1984)
Thesis of reports
Kishinev. `Stinica`. 1984
================================================================
(p. 23)
NEW HELICAL STRUCTURE OF DOUBLE-STRANDED POLYNUCLEOTIDE
L.I. Verkhovsky, R.-H.N. Mikelsaar
Central Research Institute of Communications, Moscow
Tartu State University
In recent years, interest in the conformational capabilities of DNA has sharply increased. This is due to two circumstances. On the one hand, a wide variability of DNA has been experimentally found [1], and untwisted states are known (for example, in D-loops, V-form, in interaction with intercalators). On the other hand, for the classical double helix there are serious difficulties in explaining the mechanism of thread separation during replication. These difficulties are not removed with the discovery of untwisting proteins (topoisomerases) [2], especially since the participation of these proteins in replication is not shown experimentally [3]. These facts, as well as the lack of direct data confirming that the native DNA corresponds to the model of Watson and Crick, serve as the basis for the nomination of alternative models. In 1976, the so-called SIDE-BY-SIDE model was proposed [4, 5], which was refuted by special experiments with ring DNA [6].
We propose a new helical structure for double-stranded polynucleotide called «ribbon-helix». Two oppositely directed sugar-phosphate chains form spatial spirals, parallel shifted relative to each other on the length of the bridge of the base pair. Unlike the double helix, the adjacent pairs are not twisted, but also shifted in parallel. The two chains are not intertwined and can be easily separated. The size of the turn and the distance between adjacent pairs are the same as in the double helix.
The ribbon helix is an irregular spiral – the structure is repeated during translation along the main axis at distances multiple to the size of the turn, and inside the turn in one chain all dihedral angles are different. There is, however, a second-order axis of symmetry perpendicular to the main axis of the molecule, so the smallest repetitive motif is a section of 5 base pairs. The two broad sides of this ribbon-like structure are stereochemically nonequivalent — one corresponds to a small groove of the double helix, the other to a large one..
Using the Tartu precision space-filling atomic-molecular models [7], several variants of structures of this type are constructed. Studies on models have shown, in particular, the possibility of the left ribbon-helix in which each strand inside the turn has a kink (shift between them – half a turn). The dihedral angles of the constructed structures are measured. Variants of packing of molecules in the form of ribbon-helix in crystals are considered, parameters of a crystal lattice are estimated.
The proposed structure has interesting properties from the point of view of the condensed form of DNA, nucleosome organization, nucleic-nucleic recognition, supercoiling effects, and in other aspects.
LITERATURE
- Arnott S., Bond P. J. Chandrasekran R. – Nature, 1980, v. 287, p.561-563.
- Pohl W. R., Roberts G. W. – J. Math. Biol., 1978, v.6, p.384-402.
- Tereshchenko O. D. Khaidarova N. V. – Successes of Modern Biology (in Russian), 1983, v. 96, issue 1(4), p. 28—45.
- Rodley, G. A., Scobie, R. S., Bates, R. H. and Lewitt, R. M. — Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1976, v,73, p.2959—2963.
- Sasisekharan V., Pattabiraman N. – Curr. Sci., 1976, v.45, p.776—782.
- Wang J. C. — Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1979, v.76 p.200—203.
- Mikelsaar R.-H. N. Abstracts of the First all-Union biophysical Congress (3-8 August 1982). Vol. IV – M., p. 103 (in Russian).