bélyegkép|jobbra|A Z-DNS szerkezete () A Z-DNS a DNS egyik kettőshélix-szerkezete. E szerkezet balos, vagyis a hélix balra fordul cikcakkos mintában, nem jobbra, mint a gyakoribb B-DNS és az A-DNS. A Z-DNS feltehetően az A- és B-DNS-hez hasonlóan biológiailag aktív. Története A balra forgató DNS-t először Robert Wells és társai javasolták az inozin–citozin polimer szerkezetére. „Fordított” körkörös dikroizmust észleltek e DNS-ekre, és ezt – helytelenül – a szálak balos egymásra fordulásának tekinteték. A Z- és a gyakoribb B-DNS kapcsolatát Pohl és Jovin mutatták ki, akik kimutatták, hogy a poli(dG–dC) ultraibolya körkörös dikroizmusa 4 M-os NaCl-oldatban megfordult, és hogy a poli-d(I–C)·poli-d(I–C) szerkezete jobbra forgató D-DNS volt. Azt a feltételezést, hogy ez B-DNS-ről Z-DNS-re való átalakulás eredménye volt, az oldatok és a Z-DNS-kristályok Raman-spektrumának vizsgálata igazolta. Ezután a „Z-DNS” kristályszerkezetét is közölték, mely az első egykristály-röntgenszerkezet volt DNS-részletről (a önkomplementer DNS-hexameré). Erről kiderült, hogy ez balra forgató kettős hélix két antipárhuzamos lánccal, melyeket Watson–Crick-bázispárok tartottak össze. Ezt Andrew H. J. Wang, Alexander Rich és társai mutatták ki 1979-ben a MIT-nél. A B–Z-DNS kapcsolat 2005-ös kristályosítása lehetővé tette a Z-DNS sejtekben játszott szerepének jobb megismerését. Z-DNS-szakasz keletkezésekor B–Z kapcsolatoknak kell lenni a két végén, a genom többi részén lévő B-DNS-hez kapcsolva azt.
2007-ben a Z-DNS RNS-változatát, a Z-RNS-t is előállították, melyet az A-RNS balra forgatóvá alakított változataként írtak le. Az A-ból Z-RNS-be való átmenetet azonban már 1984-ben leírták.
Szerkezet bélyegkép|jobbra|Z-DNS-kötő doménhez kapcsolt B–Z kapcsolat a két kiemelt bázissal (forrás: ) A Z-DNS jelentősen eltér a jobbra forgató változatoktól. Gyakran a Z-DNS-t a B-DNS-sel hasonlítják össze a főbb különbségek illusztrálásához. A Z-DNS-hélix balra forgat, szerkezete két bázispáronként ismétlődik. A nagy és kis bemélyedések szélessége az A- és B-DNS-től eltérően kevéssé tér el. E szerkezet keletkezése általában kedvezőtlen, de bizonyos helyzetek elősegíthetik, például váltakozó purin-pirimidin sorozatok (különösen a poli), a negatív DNS-szupertekeredés, a magas sótartalom és bizonyos kationok (fiziológiás hőmérsékleten (37 °C) és 7,3–7,4-es pH-n). A Z-DNS B-DNS-hez kapcsolódhat egy bázispár kiemelésével. A Z-DNS-konformáció tanulmányozása nehéz, mivel a kettős hélixben nem stabil. Ehelyett ez átmeneti szerkezet, melyet néha a biológiai aktivitás indukál, majd gyorsan eltűnik. Z-DNS-szerkezet előrejelzése Egy DNS-szekvencia Z-DNS-szerkezet-alkotásának valószínűsége előrejelezhető. A DNS B-ből Z-formába alakulásának valószínűségét jósló algoritmust, a ZHuntot P. Sing Ho írta 1984-ben a MIT-nél. Később ezt Tracy Camp, P. Christoph Champ, Sandor Maurice és Jeffrey M. Vargason továbbfejlesztették genomszintű elemzésre (Ho a vezető vizsgáló). Z-DNS keletkezése B-DNS-ből A Z-DNS 1979-es felfedezése és kristályosítása óta nem ismert a B-DNS Z-DNS-sé alakulásának módja. A B-DNS Z-DNS-sé alakulásának módja atomi szinten nem volt ismert, de 2010-ben számítógépes szimulációval igazolták a B→Z átalakulás korábban feltételezett összehangolt mechanizmusnál alacsonyabb aktivációs energiáját. Ennek számítási bizonyítása után ez még kísérletileg is bizonyítandó a további igazoláshoz, Lee és társai cikkükben ezt írják: „A jelenlegi [számított] eredmény egymolekulás FRET (smFRET) kísérletekkel ellenőrizhető később”. 2018-ban a B-DNS Z-DNS-sé való átalakulását smFRET-assay-kkel igazolták. Ezt DNS-hez kötött donor és akceptor fluoreszcens festékek (fluoroforok) közti egymáshoz viszonyított intenzitás mérésével igazolták elektronátvitel közben. A fluoroforok távolsága felhasználható a festékek helyzetének és a DNS változásainak mennyiségi elemzéséhez. Egy nagy affinitású Z-DNS-kötő fehérjét, a hZαADAR1-et használtak különböző koncentrációban a B-DNS Z-DNS-sé alakulását. Az smFRET-assay-k B* köztes állapotot mutattak, melyek a B-DNS-hez kötött hZαADAR1 növekedésekor stabilizálták azt. Ez a nagy kapcsolati energia elkerülésére történik, így a B-DNS Z-DNS-sé tud alakulni nagy, zavaró energiaváltozás nélkül. Ez egybeesik Lee és társai munkájával, mely alapján a mechanizmus lépésenként történik, és célja a B-DNS Z-DNS-sé alakulásának aktivációs energiájának csökkentése. A kötőfehérjék nem stabilizálják a Z-DNS-t keletkezése után, hanem csak a Z-DNS B* állapotból való kialakulását segítik, amelyet a nagy affinitású fehérjék B-DNS-hez kötődése alakít ki. Biológiai jelentősége A Z-DNS az I-es típusú interferonválaszokat szabályozza, ezt 3 ismert ritka örökletes betegség tanulmányaiban (dyschromatosis symmetrica hereditaria ()), Aicardi–Goutières-szindróma () és kétoldali striatalis nekrózis/disztónia) erősítették meg. A haploid ADAR-transzkriptom lehetővé teszi a Zα-változatok betegséghez kapcsolását, ez alapján a genetikai információt a DNS-ben a szekvencia és az alak is kódolja. Az I. típusú interferonválaszok rákban való szabályzását az is megalapozza, hogy egy tumortípus 40%-a az ADAR enzimtől függött.
Korábbi tanulmányok a Z-DNS-t összekapcsolták az Alzheimer-kórral és a szisztémás lupus erythematosusszal. Ennek illusztrálására a hippocampusban lévő normál, közepesen és erősen érintett DNS-t vizsgáltak. Körkörös dikroizmussal kimutatták a Z-DNS jelenlétét az erősen érintett DNS-ben. A tanulmány szerint a közepesen érintett DNS-ben voltak nagyobb B–Z köztes konformációjú DNS-részek. Ez azért fontos, mert ebből kiderült, hogy a B→Z-DNS átmenet függ az Alzheimer-kór állapotával. Ezenkívül a Z-DNS összefügg a szisztémás lupus erythematosusszal (SLE) a természetes antitestek révén. Jelentős mennyiségű anti-Z-DNS antitest található SLE-s betegekben, más reumatoid betegségekben ezek nem voltak jelen. Ezen antitestek két típusban fordulnak elő. Radioimmunassay-ben kimutatták, hogy egyikük a Z- és a denaturált DNS felszínén lévő bázisokkal, a másik csak a cikcakkos Z-DNS-vázzal reagál. Az Alzheimer-kórhoz hasonlóan a betegség állapotától függnek az antitestek, a legaktívabb SLE-szakaszokban van a legtöbb ilyen antitest.
Z-DNS a transzkripcióban A Z-DNS torziós feszültsége feltehetően csökken transzkripció során, és a negatív szupertekeredéssel függ össze. Azonban míg a szupertekeredés a transzkripcióval és a replikációval is összefügg, a Z-DNS-keletkezés a transzkripció sebességével függ össze.
A humán 22. kromoszóma tanulmányozása korrelációt mutatott a Z-DNS-képző részek és az I. magi faktor promoterei közt. Így egyes humán gének transzkripcióját a Z-DNS-képzés és az I. magi faktor aktivációja szabályozhatja.
A promoterek előtti Z-DNS stimulálja a transzkripciót. A legnagyobb aktivitásnövekedés a promoterszekvencia után 3 fordulattal lévő Z-DNS esetén van jelen. Továbbá micrococcalis nukleáz-keresztkötéssel a Z-DNS valószínűleg nem hoz létre nukleoszómát, mely gyakran a Z-DNS-szakasz előtt vagy után van. Ezért a Z-DNS feltehetően a nukleoszóma-elhelyezés határát kódolja. Mivel a nukleoszómák helye befolyásolja a transzkripciós faktorok kötését, a Z-DNS feltehetően a transzkripció sebességét szabályozza.
Az RNS-polimerázhoz hasonlóan negatív szupertekeredéssel és aktív transzkripcióval létrehozott Z-DNS növeli a genetikai instabilitást, a promoterekhez közeli mutagenezis valószínűségét növelve. Egy Escherichia colin végzett tanulmány szerint a deléciók spontán történnek a Z-DNS-alkotó szekvenciát tartalmazó plazmidrészeken. Az emlőssejtekben az ilyen szekvenciák jelenléte nagy deléciókat okoz a kromoszomális kettősszál-törések miatt. Mindkét genetikai módosulás géntranszlokációkkal hozható összefüggésbe, melyek a rákok, például a leukémia és a limfóma esetén jellemzők, mivel a tumorsejtek törési helyei Z-DNS-alkotó szekvenciák körül vannak. A baktériumplazmidok kisebb deléciói replikációs csúszást okoznak, míg az emlőssejtek nagyobb delécióit a nem homológ végösszeillesztés okozza, mely hibákra hajlamos.
Az etídium-bromid Trypanosoma-fajokra gyakorolt mérgező hatását a kinetoplaszt-DNS Z-formává alakítása okozza. Ezt az interkalációja okozza, melyet a DNS-szerkezet lazulása követ, mely a DNS szétválását, Z-formává alakulását és a replikáció gátlását okozza. A Zα domén felfedezése Az első nagy affinitással Z-DNS-hez kapcsolódó domént az ADAR1-ben fedezték fel Alan Herbert módszerével. Krisztallográfiai és NMR-tanulmányok megerősítették a biokémiai eredményeket, melyek szerint a domén nem szekvenciaspecifikusan kötődik Z-DNS-hez. Hasonló doméneket fedeztek fel számos más fehérjében szekvenciahomológia révén. A Zα domén azonosítása lehetővé tett más krisztallográfiai eredményeket, melyek a Z-RNS és a B–Z kapcsolat felismerését tették lehetővé. Feltehetően az ADAR1 Z-DNS-kötő doménje az új RNS szekvenciáját módosító enzimet aktív transzkripciós helyekre teheti. A Zα, a Z-DNS és a Z-RNS genomvédelmi szerepe az Alu retroelemekkel szemben a dsRNS-sel szembeni nem specifikus immunválaszok szabályzásává fejlődött. A Zα-mutációk humán interferonopátiákatt, például Aicardi–Goutières-szindrómát okozhatnak.Továbbá a Zα domének a stresszgranulákban is jelen lehetnek nem specifikus nukleinsavkötő képességük révén, és a különböző Zα domének eltérően kötődnek a Z-nukleinsavhoz, fontos lehetőségeket biztosítva a gyógyszerfejlesztésben.
A Z-DNS Vaccinia-E3L-hez kapcsolódásának következményei A Z-DNS intenzívebb kutatása során kiderült, hogy a Z-DNS Z-DNS-kötő fehérjékhez kapcsolódhat London-diszperziós erőkkel és hidrogénkötésekkel. Az E3L gén terméke, az Vaccinia-E3L fehérje például Z-DNS-kötő, működése egy Z-DNS-kötő emlősfehérjéhez hasonló. Az E3L nemcsak köt a Z-DNS-hez, hanem felhasználható a Vaccinia himlővírus virulenciájának méréséhez egerekben. A virulenciát meghatározó két fontos része az N- és a C-terminus. Az N-terminális szekvencia a Zα, más néven adenozin-deamináz z-α fehérjéhez hasonlít, míg a C-terminális kétszálú RNS-kötő részből áll. Kim, Y. és társai által a Massachusettsi Műegyetemen végzett kutatások alapján az E3L fehérje N-terminusának Zα-ra való cseréje a vírus patogenitását kevéssé befolyásolta. Ezzel szemben az összes Z-DNS-kötő aminosav eltávolítása a virulenciát csökkentette. Ezek alapján a hasonló Z-DNS-kötő aminosavak a virulenciát meghatározó legfontosabb tényezők, a Z-DNS-kötésben részt nem vevő aminosavak kevéssé befolyásolják azt. Továbbá az E3L Vaccinia-vírust tartalmazó vakcinák általi Z-DNS-affinitás-csökkentése csökkenti a humán negatív reakciókat is a vírusra.
Ezenkívül Alexander Rich és Jin-Ah Kwon kimutatták, hogy az E3L a humán IL-6, NF-AT és p53 transzaktivátora. Eredményeik alapján az E3L-tartalmú HeLa sejtekben a humán IL-6, NF-AT és p53 gének jobban kifejeződnek, és egyes Z-DNS-kötő aminosavak mutációi vagy deléciói ezt csökkentik. A Tyr 48 és a Pro 63 mutációi e gének transzaktivációját csökkentik a hidrogénkötés eltűnése és az E3L és a Z-DNS közti London-diszperziós erők miatt. Így ezen eredmények alapján a Z-DNS és a Z-DNS-kötő fehérjék kölcsönhatásának csökkenése csökkenti a virulenciát és a génexpressziót, megmutatva a Z-DNS és az E3L-kötő fehérje közti kötések szükségességét.
A leggyakoribb DNS-ek összehasonlítása bélyegkép|jobbra|Az A-, B- és Z-DNS oldal- és felülnézetből bélyegkép|jobbra|250px|Sárga pontok jelzik az A-, a B- és a Z-DNS tengelyét egy GC bázispárhoz viszonyítva GeometriaA-DNSB-DNSZ-DNSHélixállásjobbra forgatjobbra forgatbalra forgatIsmétlődő egység1 bázispár1 bázispár2 bázispárForgás/bázispár32,7°34,3°60°/2Átlagos bp/fordulat111012Bázispár-inklináció+19°−1,2°−9°Tengelymenti emelkedés/bp 2,6 Å (0,26 nm) 3,4 Å (0,34 nm) 3,7 Å (0,37 nm)Fordulatonkénti emelkedés28,6 Å (2,86 nm)35,7 Å (3,57 nm)45,6 Å (4,56 nm)Átlagos csavarodás+18°+16°0°Glikozilszögantiantipirimidin: anti,
purin: szinNukleotidok foszfát-foszfát távolsága5,9 Å 7,0 Å C: 5,7 Å, G: 6,1 ÅCukorbemélyedésC3'-endoC2'-endoC: C2'-endo, G: C3'-endoÁtmérő23 Å (2,3 nm)20 Å (2,0 nm)18 Å (1,8 nm) Jegyzetek
Fordítás