Párování bází

Dvěma základními páry v typické dvouvláknové DNA je AT pár (adenin + thymin) a GC pár (guanin + cytosin), v dvouvláknové RNA se vyskytuje GC pár rovněž, ale druhým základním párem je AU pár (adenin+uracil). Pro tyto komplementární páry platí, že jedna z nukleových bází je vždy purin (A či G), druhá je pyrimidin (C, T, U).^[1] Jakékoliv jiné kombinace nukleových bází by silně deformovaly dvoušroubovici B-DNA a proto se v živých organismech téměř nevyskytují.^[2]

V GC páru jsou mezi guaninem a cytosinem tři vodíkové můstky, zatímco v AT páru jsou pouze dva. V učebnicích se běžně uvádí, že přítomnost tří vodíkových vazeb mezi G a C je důvodem vyšší stability oblastí DNA bohatých na GC páry.^[3] Ve skutečnosti jsou pravou příčinou tohoto jevu silné patrové interakce mezi nad sebou umístěným guaninovou a cytosinovou nukleovou bází.^[4]

Chargaffova pravidla říkají, že v DNA je stejný počet adeninových a thyminových zbytků (A = T), to samé platí pro guanin s cytosinem (G = C). To však nic neříká o tom, v jakém poměru jsou GC a AT páry v molekule DNA. Ve skutečnosti se tzv. obsah GC (GC content), tedy zastoupení GC párů v DNA, pohybuje u bakterií od 25 do 75 %, u savců v rozmezí 39-46 %.^[2]

Existuje celá řada dalších možností, jak pomocí vodíkových můstků spárovat báze, neboť atomů schopných podílet se na vzniku vodíkových vazeb je na molekulách purinů i pyrimidinů celá řada. Samostatnou kapitolou je tzv. hoogsteenovské párování pojmenované podle Karsta Hoogsteena, který je v 60. letech 20. století jako první popsal.^[5] Co se týče vazeb mezi adeninem a thyminem, hoogsteenovské páry vznikají buď mezi NH₂ skupinou adeninu a ketoskupinou thyminu, nebo mezi N⁷ dusíkem adeninu a vodíkem na C¹ thyminu. Podobně mezi guaninem a cytosinem může vznikat alternativní párování mezi ketoskupinou na šesté pozici guaninu a aminoskupinou na čtvrtém uhlíku cytosinu, případně mezi dusíkem na sedmé pozici guaninu a protonovaným dusíkem na pozici N¹ cytosinu.^[1] Hoogsteenovské párování umožňuje vznik tzv. trojvláknové DNA (tripl-helixu). Mezi čtyřmi do čtverce uspořádanými guaniny dokonce může vzniknout tetraplex, tzv. G-kvartet.^[5]

Jinou možností je tzv. wobble párování, které umožňuje úsporné rozeznávání kodonů pomocí tRNA molekul. Při wobble párování může například guanin vytvářet vazbu s uracilem; někdy je rekrutován inosin, jenž má velmi obecné vazebné schopnosti a je schopen vázat se na C, A a U.^[6]

Vědcům se podařilo syntetizovat již mnoho kandidátů na nepřirozené nukleové báze, jen naprostá menšina z nich je však skutečně replikovatelná DNA polymerázami a ještě menší počet umožňuje transkripci do RNA. Pouze u jediného umělého páru nukleových bází byla dosud (r. 2017) prokázána in vivo funkční ekvivalence s přirozenými páry (cytosin-guanin, adenin-thymin).

V r. 1989 se švýcarskému biochemikovi Stevenu Bennerovi a jeho týmu podařilo implementovat do struktury DNA modifikované nukleosidy iso-cytidin a iso-guanosin párující se vodíkovými můstky odlišně od C-G. Nové úseky byly in vitro schopné replikace a transkripce do RNA (přiřazování komplementárních deoxyribonukleosidů i ribonukleosidů).^[7]V roce 1990 publikoval objev dalších pozměněných nukleosidů, a sice uměle vytvořeného „κ“ (chemicky 3-β-D-ribofuranosyl-(2,6-diaminopyrimidin)), párujícího se buďto s přirozeným xanthosinem (X) (má však nestálý deoxyribonukleotid) nebo uměle vytvořeným „π“ (chemicky 3-β-D-ribofuranosyl-(1-methyl-pyrazolo[4,3-d]pyrimidin-5,7(4H,6H)-dion)).^[8]

V r. 2002 vyvinul japonský biochemik se svým týmem další nepřirozený pár nukleových bází založených na purinu a pyridinu, fungující in vitro při transkripci a translaci, a sice „s“ (chemicky 2-amino-8-(2-thienyl)purin) a „y“ (chemicky pyridin-2-on).^[9] V roce 2006 pak vytvořili další takový pár, „Ds“ (chemicky 7-(2-thienyl)imidazo[4,5-b]pyridin) a „Pa“ (chemicky pyrrol-2-karbaldehyd)^[10] a v r. 2009 objevili, že vhodnější chování má pár „Ds“ s nově vytvořenou bází „Px“ (chemicky 4-[3-(6-aminohexanamido)-1-propynyl]-2-nitropyrrol).^[11]

Skupina amerických vědců vedených Floydem Romesbergem v r. 2008 vytvořila další dvojici párujících se deoxynukleosidů „d5SICS“ (chemicky 2-((2R,4R,5R)-tetrahydro-4-hydroxy-5-(hydroxymethyl)furan-2-yl)-6-methylisochinolin-1(2H)-thion; v popularizačních článcích označovaný jako „Y“^[12]) a „dNaM“ (chemicky (1R)-1,4-anhydro-2-deoxy-1-(3-methoxy-2-naftyl)-D-erythro-pentitol; v popularizačních článcích označovaný jako „X“^[12] – pozor, nejedná se o xanthosin). Ty již nejsou odvozeny z purinu a pyrimidinu, ale obě obsahují dva kondenzované aromatické cykly. V r. 2012 tým vedený Denisem Malyshevem publikoval funkčnost těchto bází při replikaci in vitro,^[13] v r. 2014 pak úspěšné uplatnění in vivo. Vědci přidali do buňky bakterie Escherichia coli plazmid s novými bázemi. Bakterie s plazmidem se rozmnožovaly, jako by byly úplně obyčejné. Uměle syntetizované báze, nutné pro toto množení, byly dodávány z vnějšího prostředí (jejich syntézu buňka neumí) pomocí přenosového aparátu vypůjčeného z řas – gen pro jeho tvorbu byl vložen do genomu bakterie. Nový pár se tak ukázal plně funkčně ekvivalentní přirozeným párům nukleových bází.^[14][15] Díky dalšímu výzkumu se podařilo vyvinout nový transportér syntetických bází přes membránu a po chemické optimalizaci umělého páru bází se podařilo v roce 2016 udržet polosyntetický genom bakterie Escherichia coli životaschopný a stabilní, tj. schopný přetrvat minimálně 60 buněčných dělení.^{[16][17][18][12]}

V roce 2015 publikovaly dva týmy syntetických biologů výsledky prací na rozšíření genetické abecedy o další pár bází – „Z“ (chemicky 6-amino-5-nitro-2(1H)-pyridon) a „P“ (chemicky 2-aminoimidazo[1,2-a]-1,3,5-triazin-4(8H)on) a průkazu in vivo jejich rovnocennosti a kombinovatelnosti s přirozenými páry bází v řetězci DNA.^[19][20] Pokračující výzkumné práce vyústily ve vytvoření tzv. „hachimoji“ DNA a RNA (z japonských slov hachi – osm a moji – písmeno), obsahujících 8 různých bází vzájemně se párujících tak, že zachovávají geometrické poměry přirozené DNA (2 páry bází jsou přitom přirozené, 2 páry umělé: výše zmíněný pár Z···P a nový pár S···B, kde S je methylcytosin, B izoguanin) a hachimoji DNA je přitom schopna jednoznačného přepisu do hachimoji RNA (v níž S je izocytosin). Objev těchto uměle rozšířených nukleových kyselin byl publikován v r. 2019.^[21][22]

Chemická struktura nukleotidů je:^[23]

• u hachimoji DNA (vedle přirozených A, T, C, G):
  • dS (z deoxyS): 3-methyl-6-amino-5-(1'-β-D-2'-deoxyribofuranosyl)-pyrimidin-2-on
  • dB: 6-amino-9-(1'-β-D-2'-deoxyribofuranosyl)-4-hydroxy-5-(hydroxymethyl)-oxolan-2-yl]-1H-purin-2-on
  • dZ: 6-amino-3-(1'-β-D-2'-deoxyribofuranosyl)-5-nitro-1H-pyridin-2-on
  • dP: 2-amino-8-(1'-β-D-2'-deoxyribofuranosyl)-imidazo-[1,2a]-1,3,5-triazin-[8H]-4-on
• u hachimoji RNA (vedle přirozených A, U, C, G):
  • S (též rS): 2-amino-1-(1'-β-D-ribofuranosyl)-4(1H)-pyrimidinon
  • B: 6-amino-9-(1'-β-D-ribofuranosyl)-4-hydroxy-5-(hydroxymethyl)-oxolan-2-yl]-1H-purin-2-on
  • Z: 6-amino-3-(1'-β-D-ribofuranosyl)-5-nitro-1H-pyridin-2-on
  • P: 2-amino-8-(1'-β-D-ribofuranosyl)-imidazo-[1,2a]-1,3,5-triazin-[8H]-4-on

• Obrázky, zvuky či videa k tématu pár bazí na Wikimedia Commons