Кристаллографическое исследование структурной изменчивости фрагментов ДНК тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.18, доктор физико-математических наук Малинина, Людмила Викторовна

• Малинина, Людмила Викторовна
• доктор физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Малинина, Людмила Викторовна

Введение.

ГЛАВА 1. Дискуссия: тонкая структура и структурная изменчивость двойной спирали (по литературе). Задачи диссертационной работы.

1.1 Дифракция на волокнах и разные формы двойной спирали.

1.2 Появление кристаллографии олигонуклеотидов.

1.2.1 Структура гексамера СвСвСв. Открытие Z-ДHK.

1.2.2 Чередующаяся пурин-пиримидиновая последовательность

1.2.3 Кристаллическая упаковка 2-ДНК.

1.2.4 Додекамер СОСОААТТСОСО и октамер ООТАТАСС первые представители фрагментов В- и А-ДНК.

1.3 Тонкая структура двойных спиралей.

1.3.1 Возможно ли «непрямое» узнавание белками участка ДНК? Структура комплекса ¿ф-репрессор/оператор.

1.3.2 Правила Калладайна.

1.3.3 Определения, используемые при описании структуры ДНК

1.4 Форма двойной спирали в кристаллах олигонуклеотидов.

1.5 Влияние окружения на структуру фрагмента ДНК.

1.6 Структурная изменчивость фрагментов ДНК. Задачи диссертационной работы

ГЛАВА 2. Методические особенности кристаллографии ДНК (по литературе)

2.1 Об отличиях в кристаллизации олигонуклеотидов и белков .51.

2.2 Методы определения структуры олигонуклеотидных дуплексов

2.2.1 Тяжелоатомные производные.

2.2.2 Прямой поиск.

2.2.3 Максимум энтропии.

2.2.4 Молекулярное замещение. Программа АМоЫе.

2.3 Кристаллографическое уточнение. Программа X-PLOR.

2.4 Анализ структуры фрагментов двойных спиралей. Программы NEWHELIX и CURVES.

ГЛАВА 3. В-ДНК: структура додекамера CGCTCTAGAGCG и октамера CGCTAGCG. Тонкая структура последовательности CTAG в различном окружении.

3.1 Методическая часть.

3.1.1 кристаллы.

3.1.2 сбор данных.

3.1.3 определение и уточнение структуры додекамера CGCTCTAGAGCG

3.1.4 определение и уточнение структуры октамера CGCTAGCG

3.2 Особенности кристаллической упаковки додекамеров В-ДНК с CG-концами

3.3 Упаковка додекамеров в столбики и средний угол спирального поворота

3.4 Схемы упаковок дуплексов другой длины с CG-концами

3.4.1 Декамеры.

3.4.2 Октамеры.

3.5 Упаковка додекамера CGCTCTAGAGCG и октамера CGCTAGCG в реальных кристаллах

3.6 Сравнение структуры двух дуплексов додекамера CGCTCTAGAGCG и трех дуплексов октамера CGCTAGCG.

3.6.1 структурные параметры.

3.6.2 особенности анализа локальных и средних структурных параметров ДНК-фрагментов.

3.7 Тонкая структура тетрамера CTAG в различном окружении.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кристаллографическое исследование структурной изменчивости фрагментов ДНК»

Долгое время метод рентгеновской дифракции на волокнах был основным методом изучения структуры ДНК. Именно с помощью дифракции на волокнах была открыта двойная спираль, описаны две ее основные структурные формы, В и А, определены средние спиральные параметры этих форм и изучены некоторые особенности их поведения в различном окружении. Тем не менее, структурная информация, которую позволяет получить рентгеновская дифракции на волокнах, ограничена и для изучения детальной структуры молекулы этот метод не пригоден. Поэтому, как только становится возможным синтез разнообразных фрагментов ДНК в количествах, достаточных для получения кристаллов и проведения рентгеновского эксперимента, на смену дифракции на волокнах приходит рентгеноструктурный анализ монокристаллов. Появляется и начинает быстро развиваться новая область кристаллографии биомакромолекул -кристаллография ДНК. С ее возникновением структуру двойной спирали начинают изучать подробно, выявляя тонкие детали, важные для понимания механизмов, связанных с функционированием ДНК.

Первые же работы по кристаллографии ДНК показывают, что двойная спираль обладает тонкой структурой, т.е. локальные параметры спирали у разных участков различаются (Dickerson & Drew, 1981; Shakked et al., 1983; Wang et al., 1982). Отмечается корреляция между значением этих параметров и нуклеотидной последовательностью участка (Calladme, 1982; Dickerson, 1983). Обнаруживается новая структурная форма двойной спирали, Z-ДНК (Wang et al., 1979; Drew et al., 1980; Wang et al., 1984, 1985) и структурные конструкции, формируемые ионно-гидратным окружением различных форм двойной спирали (Conner et al., 1982; Drew & Dickerson, 1981; Корка et al., 1983). При этом в самом начале кристаллография ДНК ставит своей целью описание структуры известных форм двойной спирали (А, В и Z) с максимально высоким разрешением. Однако очень скоро фокус смещается к изучению влияния нуклеотидной последовательности на тонкую структуру двойной спирали и в последующие 10-15 лет исследование этого эффекта остается одной из основных задач кристаллографии ДНК. В значительной степени этому способствуют результаты рентгеноструктурного исследования комплекса trp-репрессора с оператором (Otwinowski et al., 1988), на основании которых авторы заключили, что данный репрессор узнает свой операторный участок не путем образования специфической системы водородных связей белка с группами оснований, формирующими определенный донорно-акцепторный узор в желобках двойной спирали, а за счет того, что данная нуклеотидная последовательность навязывает фрагменту ДНК определенную тонкую структуру, которую и узнает белок. Хотя правильность данного вывода до сих пор остается под сомнением, он стимулировал работы по изучению влияния нуклеотидной последовательности на тонкую структуру ДНК, что привело к возникновению исследовательских групп, занимающихся кристаллографией ДНК в различных странах, и к определению структуры большого количества различных олигонуклеотидов, т.е. в конечном итоге, к развитию области. По мере ее развития на передний план начинают выходить другие задачи. Однако, ответ на вопрос о взаимоотношении нуклеотидной последовательности и тонкой структуры двойной спирали, как и само понятие «тонкая структура» для двойной спивали, остаются неясными. Действительно, какую из тонких структур считать структурой данного фрагмента, если для молекулы ДНК и любого ее фрагмента характерна структурная изменчивость и тонкая структура меняется в зависимости от условий? Этот вопрос приобретает особую важность, если вспомнить, что в клетке ДНК всегда либо упакована в компактные структуры, в которых ее фрагменты находятся в контакте друг с другом и с белками, либо образует комплексы с белками и другими молекулами, важные для выполнения ее биологических функций. Таким образом, ДНК in vivo всегда находится во взаимодействии с самой собой и с другими молекулами. Следовательно, возникает вопрос о том, меняется ли и в какой степени структура фрагмента ДНК при изменении окружения, а кроме того, каковы детали различного рода взаимодействий между фрагментами ДНК и между ДНК и окружением. Иными словами, каковы структурные возможности различных форм двойных спиралей, как они могут быть связаны со взаимодействиями, в которые вовлечен данный фрагмент и, наконец, какие новые структуры может образовывать ДНК. Поиску ответов на эти вопросы и посвящена данная диссертационная работа, представляющая собой кристаллографическое исследование структурной изменчивости различных фрагментов ДНК. На примерах фрагментов В, Z и А-ДНК показано, что структура двойной спирали в кристаллах меняется с изменением окружения фрагмента, иногда значительно. Проанализированы тенденции этих изменений и их возможное значение.

Для В-ДНК на примере исследованных в работе додекамера СОСТСТАОАОСО и октамера СвСТЛвСв, а также фрагментов, представленных в банке данных по нуклеиновым кислотам, проведен анализ взаимоотношения кристаллической упаковки и структуры молекулы. Проанализированы наблюдаемые закономерности в поведении среднего угла спирального поворота. Рассмотрены вариации локального угла спирального поворота в центральной тетраде СТАО в составе октамера и додекамера. Высказана гипотеза, объясняющая наблюдаемое характерное поведение. Проведено сравнение с поведением того же тетрануклеотида в составе других ДНК-фрагментов и в комплексах с репрессорами, исследованных другими авторами. Показано, как структура одной и той же последовательности В-ДНК меняется в зависимости от окружения. Сделан вывод относительно методики изучения структурной изменчивости ДНК с помощью кристаллографии. Вывод состоит в том, что правильным подходом в данном случае было бы исследование структуры фрагмента в нескольких различных кристаллических модификациях. Для получения разных кристаллов одного и того же фрагмента развит метод кристаллизации, основанный на экспериментальных фазовых диаграммах и описанный в следующей главе диссертации. С помощью данного метода получены различные кристаллические модификации нескольких олигонуклеотидов. Определение и анализ их структур и структур других ДНК-фрагментов Ъ и А-формы составили экспериментальную основу следующих двух глав диссертационной работы.

Исследование фрагментов Ъ и А-ДНК, представленное в работе, является частью проекта, посвященного изучению поведения чередующихся последовательностей в кристаллах. В диссертации рассмотрены фрагменты со связанной между собой нуклеотидной последовательностью. В центре во всех случаях располагается чередующейся тетрануклеотид СОСО, а самые короткие фрагменты представляют собой гексамеры. Один гексамер обладает канонической для Z-ДHK чередующейся последовательностью СвСвСС. Второй отличается от первого тем, что имеет нарушение чередования на концах, - ССОСОО. Канонический гексамер изучен в трех различных кристаллических модификациях, две из которых демонстрируют новый для Ъ-ДНК вид кристаллической упаковки и новые взаимодействия между молекулами ДНК. Второй гексамер образует дуплекс, центральная часть которого, тетрамер СОСО, имеет 2-конформацию, но концы ведут себя необычно. 5'-концевой цитозин каждой нити выворачивается из дуплекса и образует уотсон-криковскую пару с 3'-концевым гуанином соседней молекулы. Таким образом, образуются спаренные дуплексы, у которых пары на концах являются межмолекулярными. Структуры гексамера СвСОСО в трех новых кристаллических модификациях и в описанных ранее другими авторами кристаллах вместе со структурой центрального тетрамера СОСО во втором гексамере дают возможность продемонстрировать структурную изменчивость чередующейся последовательности СОСО в 2-конформации. Кроме того, гексамер ССОСОО является примером интересной необычной структуры, которая может иметь биологическое приложение, что более подробно рассмотрено в самой работе. Здесь же хотелось бы отметить только, что эта структура отражает современные тенденции кристаллографии ДНК, которая оказывается все более и более ориентированной на изучение «необычных» структур ДНК, таких как шпильки, дуплексы из параллельных нитей, триплексы, квадруплексы и другие. Структура гексамера ССОСвв, подробно описанная в главе 5, является одним из примеров необычной структуры ДНК.

Добавление к гексамеру ССОСвв по одному нуклеотиду на концах, удлинняющее нечередующиеся концевые ступени, приводит к получению кристаллов А-ДНК. Самокомплементарный октамер СССОСОвО, закристаллизованный в виде пяти кристаллических модификаций разной компактности, является уникальным примером, не только демонстрирующим структурную изменчивость фрагмента А-ДНК, но также позволяющим провести систематический анализ этой изменчивости и разработать некоторые приемы подобного анализа. Дополнительную информацию об А-ДНК дает структура додекамера СОСССОСОООСО, образованного добавлением чередующихся СО-ступеней на обоих концах октамера СССОСООО. В этом случае, впрочем, концевые ступени СО принимают конформацию, промежуточную между А и В, а сам фрагмент оказывается чрезвычайно сильно изогнутым в центре. На структурах октамера и додекамера обнаружены два способа практически полного замыкания главного желобка в А-ДНК. Показано также, что существуют и промежуточные структурные формы с частично закрытым желобком. Для случаев Ъ и А-ДНК выделены главные вариабельные параметры и описаны особенности внешнего вида двойной спирали при изменении этих параметров.

Результаты работы в целом позволяют получить представление о структурной изменчивости фрагментов двойной спирали разных конформаций, детали которой удается визуализировать с помощью кристаллографии

Заключение диссертации по теме «Кристаллография, физика кристаллов», Малинина, Людмила Викторовна

ВЫВОДЫ

1. Методами рентгеновской кристаллографии на монокристаллах олиго-нуклеотидов проведено исследование структурной изменчивости различных форм двойной спирали ДНК.

2. Развит подход к кристаллизации олигонуклеотидных дуплексов на основе полученных в работе экспериментальных фазовых диаграмм и их интерпретации в терминах концентраций и растворимостей образующихся в системе комплексов.

3. На основании этого подхода получены шесть кристаллических модификаций гексамера pCGCGCG, три - тетрамера GGCC, пять - октамера pCCCGCGGG. Продемонстрирована возможность дальнейшего развития подхода, в том числе на примере комплексов модельных дуплексов с сго-репрессором фага X.

4. Определены и проанализированы структуры Z-ДНК в трех различных кристаллах гексамера pCGCGCG, А-ДНК в пяти кристаллах октамера pCCCGCGGG и додекамера с родственной последовательностью CGCCCGCGGGCG, двух фрагментов В-ДНК со связанными последовательностями CGCTAGCG и CGCTCTAGAGCG и фрагмента CCGCGG, образующего необычную структуру.

5. На примерах фрагментов В, Z и А-ДНК показано, что тонкая структура одного и того же участка двойной спирали в кристаллах меняется с изменением окружения. В конкретном кристаллографическом исследовании обнаруживается лишь один из возможных ее вариантов.

6. Проведен анализ взаимоотношения кристаллической упаковки и общей структуры фрагментов В-ДНК, исследованных в данной работе и взятых из банка NDB. Показано, что в подавляющем большинстве кристаллов упаковка, не меняет общей структуры фрагмента. Выявлен класс изоморфных кристаллов декамеров В-ДНК, где такое влияние заметно.

7. Проанализирована тонкая структура тетрады CTAG в додекамере CGCTCTAGAGCG, октамере CGCTAGCG, в комплексах с met- и trpрепрессором и в декамере B-ДНК со структурой, несущей эффект влияния упаковки. Обнаружено характерное поведение угла спирального поворота по схеме «low-high-low», которое исчезает в двух последних случаях. Таким образом, в процесс идентификации /ф-репрессором своего оператора действительно может давать вклад его тонкая структура. Высказаны предположение о роли конформационного «шарнира», которую играет ступень ТА в B-ДНК, и гипотеза, объясняющая саму схему «low-high-low».

8. Для Z-ДНК: (а) обнаружено "узнавание" фосфатной группы выпуклой поверхностью CpG ступени, (б) найден новый вид стэкинг-взаимодействия между молекулами, при котором осуществляется межцепочечное перекрывание гуаниновых гетероциклов, (в) открыто взаимодействие двух выпуклых поверхностей через ионно-водную сетку, стабилизирующую их спаривание, (г) показано, что наклон пар к оси меняется от 0 до 25° параллельно с изменением их смещения от 3 А до 0.5 А; таким образом, изменение наклона пар сопряжено с движением выпуклой поверхности к центру молекулы или от него.

9. Открыта рекомбинационно-подобная структура спаренных дуплексов Z-ДНК с межмолекулярными уотсон-криковскими парами на концах, имеющими B-подобную конформацию. На ее основе предложена одна из возможных схем сайт-специфической рекомбинации ДНК.

10. Для А-ДНК: (а) найден и описан экстремальный изгиб в структуре, (б) у фрагмента CGCCCGCGGGCG открыта переходная А/В-конформация CG-концов (в) обнаружены и описаны два способа замыкания главного желобка -за счет сильного изгиба молекулы и за счет одновременного увеличения наклона пар, угла спирального поворота и изгиба оси.

11. По особенностям структурной подвижности А- и Z-ДНК являются антагонистами: А-ДНК легко замыкает главный желобок, «защищая» расположенные в нем активные группы, Z-ДНК, в которой те же группы располагаются на выпуклой поверхности, выставляет их наружу, обладая при этом возможностью регулировать степень их экспонирования.

Заключение

Возможно, кристаллографам, работающим с белками, идея изучать структурную изменчивость молекулы с помощью кристаллографии покажется странной. Однако исследователи, работающие с ДНК, знают, что эта молекула умеет свою структуру менять. Тем не менее, и они в большинстве своем представляют себе структурную изменчивость ДНК просто как существование нескольких форм двойной спирали - А, В и Ъ.

Данное исследование показывает, что изучать детальную структуру молекулы, внутренним свойством которой является структурная изменчивость, можно, однако результатом такого изучения будет не одна картинка, а набор из нескольких. На первый взгляд может показаться, что детали структуры, которая легко меняется, не важны и изучать их бессмысленно. Однако для понимания процессов именно они и важны. Если пробежать взглядом одну за другой структуры дуплекса СССОСООО по мере увеличения их компактности, можно «увидеть», что А-ДНК постепенно замыкает свой главный желобок. Увидев, что происходит, можно вернуться к началу и внимательно посмотреть, как она это делает, - ведь структурная информация для этого получена и находится в ИБВ. Можно сравнить этот способ замыкания с другим, который обнаружен нами в случае додекамера СОСССОСвООСО. Там, правда, к сожалению, мы не видим процесса, а видим только результат. Если теперь таким же образом взглянуть на изученные нами структурные модификации фрагмента Ъ-ДНК рСОСОСв и центральный тетрамер в гексамере ССвСОв, можно «увидеть», как выпуклая поверхность 2-ДНК «задвигается» во внутрь молекулы тем сильнее, чем больше она вовлечена в межмолекулярные взаимодействия. Рассматривая же при этом другие особенности ее поведения, легко понять, что такое ее движение осуществляется за счет постепенного увеличения наклона пар в молекуле.

215

Таким образом, только на основании данного исследования уже можно рассмотреть кое-какие детали поведения А- и Z-ДНК, а применив такой подход к ряду других фрагментов, можно было бы увидеть и другие. Впрочем, имеется и иная возможность, которую мы также использовали в данной работе, -выбрать длину и последовательность фрагмента так, чтобы увеличить вероятность образования в кристалле новых структурных элементов. Как легко понять из раздела 1.4, и кристаллизация октамера CGCTAGCG в B-форме, и необычное поведение концов в гексамере CCGCGG и додекамере CGCCCGCGGGCG были спровоцированы нами посредством выбора определенной длины и последовательности фрагмента. При этом в случае гексамера CCGCGG вся структурная конструкция из двух спаренных дуплексов оказалась весьма неожиданной и интересной. Демонстрация возможных результатов двух упомянутых подходов также составляла одну из задач данного исследования.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Малинина, Людмила Викторовна, 1999 год

1. Бландел Т., и J1. Джонсон. 1979. «Кристаллография белка». Перевод с английского, изд-во «Мир», Москва.

2. Зенгер В. «Принципы структурной организации нуклеиновых кислот». Перевод с английского. Изд-во «Мир», 1987.

3. Маниатис Т., Э. Фрич, Дж. Сэмбрук. В кн. «Молекулярное клонирование», Изд-во «Мир», 1984, Москва. Стр. 405.

4. Хесин Р. Б. 1984. «Непостоянство генома». М. Наука.

5. Anderson, W. F., Cygler, М., Vandonselaar, М., Ohlendorf, D. Н., Matthews, В. W., Kim, J. & Takeda, Y. 1983. Crystallographic data for complexes of the Cro repressor with DNA. J. Mol. Biol. 168:903-906.

6. Babcock, M.S., E.P.D Pednoult, and W.K. Olson. 1994. Nucleic acids structure analysis: mathematics for local cartesian and helical structure parameters that are truly comparable between structures. J. Mol. Biol. 237:98-124.

7. Babcock, M.S., and W.K. Olson. 1994. The effect of mathematics and coordinate system on comparability and "dependences" of nucleic acid structure parameters. J. Mol. Biol. 237:125-156.

8. Ban, Ch., B. Ramakrishnan, and M. Sundaralingam. 1996. Crystal structure of the self-complementary 5'-purine start decamer d(GCGCGCGCGC) in Z-DNA conformation. Biophys. J. 71:1215-1221.

9. Bancroft, D., L. D. Williams, A. Rich, and M. Egli. 1994. The low-temperature crystal structure of the pure-spermine form of Z-DNA reveals binding of a spermine molecule in the minor groove. Biochemistry. 33:1073-1086.

10. Bansal, M., D. Bhattacharyya, and B. Ravi. 1995. NUPARM and NUCGEN: software for analysis and generation of sequence dependent nucleic acid structures. Comput. Appl. Biosci. 11:281-287.

11. Bhattacharyya, D., and M. Bansal. 1989. Local variability and base sequence effects in DNA crystal structure. J. Biomol. Struct. Dynam. 8:539-572.

12. Blow, D.M., and F.H.C. Crick. 1959. Acta cryst. 12:794-802.

13. Brunger, A. T. 1992a. X-PLOR: A System for X-Ray Crystallography and NMR, Version 3.1, Yale University Press, New Haven, CT.

14. Brunger, A. T. 1992b. The free R value: a novel statistical quantity for assessing the accuracy of crystal structures. Nature 355:472-474.

15. Calladine, C. R. & Drew, H. R. 1984. A base-centred explanation of the B-to-A transition in DNA. J. Mol. Biol. 178:773-782.

16. Calladine, C. R. 1982. Mechanism of sequence-dependent stacking of bases in B-DNA. J. Mol. Biol. 161:343-352.

17. Cambillau, C., Roussel, A., Inisan, A. G. & Knoops-Mouthuy, E. 1996. TURBO-FRODO, version 5.5. Bio-Graphics.

18. Conner, B.N., Takano, T., Tanaka, S., Itakure, K., and Dickerson R.E. 1982. The molecular structure of d(IoCCGG) a fragment of right-handed double helical A-DNA. Nature, 295:294-299.

19. Cruse, W. B. T., S.A. Salisbury, T. Brown, F. Eckstein, R. Cosstick, and O. Kennard. 1986. Chiral phosphorothioate analogues of B-DNA: The crystal ctructureof Rp-d(GpSCGpSCGpSC). J. Mol. Biol. 192:891-905.

20. Cruse, W. B. T., Saludjian, P., Leroux, Y., Leger, G., El Manouni, D., and Prage, T. 1996. A continuous transition from A-DNA to B-DNA in the 1:1 complex between nogalamycin and the hexamer dCCCGGG. J. Biol. Chem. 271:1555815565.

21. D'Estaintot, L. B., Dautant, A., Courseille, C. & Precigoux, G. 1993. Orthorhombic crystal structure of the A-DNA octamer d(GTACGTAC) comparison with the tetragonal structure. Eur. J. Biochem. 213:673-682.

22. Dickerson, R.E., and H.R. Drew. 1981. Structure of a B-DNA dodecamer II. Influence of base sequence on helix structure. J. Mol. Biol. 149:761-786.

23. Dickerson, R.E. 1983. Base sequence and helix structure variation in B and A DNA. J. Mol. Biol. 166:419-441.

24. Dickerson, R. E. 1992. DNA structure from A to Z. Methods Enzymol. 211:67111.

25. Dickerson, R. E., D.S. Goodsell, and S. Neidle. 1994. ".the tyranny of the latice". Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 91:1579-3583.

26. Dickerson, R. E. 1998. DNA bending: the prevalence of kinkiness and the virtues of normality. Nucl. Acids Res. 26:1906-1926.

27. DiGabriele, A. D. and Steitz, T. A. 1993. A DNA dodecamer containing an adenine tract crystallizes in a unique lattice and exhibits a new bend. J. Mol. Biol. 231:1024-1039.

28. Doucet, J., J.-P. Benoit, W.B.T. Cruse, T. Prange, and O. Kennard. 1989.Coexistence of A- and B-form DNA in a single crystal lattice. Nature 337:190-192.

29. Doublie. S., Tabor, S., Long, A. M., Richardson, C. C. & Ellenberger, T. 1998. Crystal structure of a bacteriophage T7 DNA replication complex at 2.2 A resolution. Nature, 391:251-258.

30. Drew, H., T. Takano, K. Itakura, and R. E. Dickerson. 1980. High-salt d(CpGpCpG), a left-handed Z' DNA double helix. Nature (Lond.). 286:567-573.

31. Drew, H.R. & Dickerson, RE. 1981. Structure of a B-DNA dodecamer: geometry of hydration. J. Mol. Biol. 151:535-556.

32. Egli, M., L. D. Williams, O. Gao, and A. Rich. 1991. Structure of the pure-spermine form of Z-DNA (magnesium free) at 1 A resolution. Biochemistry. 30:11388-11402.

33. Eichmann B. F., Schroth, G. P., Basham, B. E. & Ho, P. S. 1999. The intrinsic structure and stability of out-of-alternation base pairs in Z-DNA. Nucleic Acids Res. 27:543-550.

34. El Hassan, M. A., and C. R Caladine. 1995. The assessment of the geometry of dinucleotide steps in double-helical DNA: a new local calculation scheme. J. Mol. Biol. 251:648-664.

35. El Hassan, M. A., and C. R Caladine. 1997. Conformational characteristics of DNA: empirical classifications and a hypothesis for the conformational behaviour of dinucleotide steps, Phil. Trans. Roy. Soc. London. 355:43-100.

36. Eom. S. H., Wang, J. &. Steitz, T. A. 1996. Structure of Taq polimerase with DNA at the polymerase active site. Nature, 382:278-281.

37. Fishel, R. & Rich, A. 1988. The role of left-handed Z-DNA in general genetic recombination. In: Mechanisms and Consequences of DNA damage processing. N. Y.: Alan R. Liss, Inc. 23-32.

38. Fitzgerald, P.M.D. 1991. MERLOT an integrated package of computer programs for the determination of crystal structures by Molecular Replacement. Version 2.4, Merk Sharp & Dohme Research Laboratories, Rahway, NJ.

39. Fratini, A.V., M.L. Kopka, H.R. Drew, and R.E. Dickerson. 1982. Reversible bending in a B-DNA dodecamer: CGCGAATTBrCGCG. J. Biol Chem. 257:14686-14707.

40. Fujii, S., A. H.-J. Wang, G. J. Quigley, H. Westerink, G. A. van der Marel, J. H. van Boom, and A. Rich. 1985. The octamers d(CGCGCGCG) and d(CGCATGCG) both crystallize as Z-DNA in the same hexagonal lattice. Biopolymers. 24:243-250.

41. Gessner, R. V., C. A. Frederick, G. J. Quigley, A. Rich, and A. H.-J. Wang. 1989. The molecular structure of the left-handed Z-DNA double helix at 1.0 A atomic resolution. J. Biol. Chem. 264:7921-7935.

42. Gessner, R. V., G. J. Quigley, and M. Egli. 1994. Comparative studies of high resolution Z-DNA crystal structures. 1. Common hydration patterns of alternating dC-dG. J. Mol. Biol. 236:1154-1168.

43. Gessner, R. V., G. J. Quigley, A. H.-J. Wang, G. A. van der Marel, J. H. van Boom, and A. Rich. 1985. Structural basis for stabilization of Z-DNA by cobalt hexammine and magnesium cations. Biochemistry. 24:237-240.

44. Goodsell, D. S., Kaczor-Grzeskowiak, M. and Dickerson, R. E. 1994. The crystal structure of C-C-A-T-T-A-A-T-G-G. Implications for bending of B-DNA at T-A steps. J. Mol. Biol. 239:79-96.

45. Goodsell, D. S., K. Grzeskowiak, and R. E. Dickerson. 1995. Crystal structure of C-T-C-T-C-G-A-G-A-G. Implications for the structure of the Holliday junction. Biochemistry. 34:1022-1029.

46. Gorin, A. A., V. B. Zhurkin, and W. K. Olson. 1995. B-DNA twisting correlates with basepair morphology. J. Mol. Biol. 247:34-48.

47. Grzeskowiak, K., Yanagi, K., Prive, G. G. and Dickerson, R. E. 1991. The structure of B-helical C-G-A-T-C-G-A-T-C-G and comparison with C-C-A-A-C-G-T-T-G-G. The effect of base pair reversals. J. Biol Chem. 266:8861-8883.

48. Grzeskowiak, K., Goodsell, D. S., Kaczor-Grzekowiak, M., Cascio, D. and Dickerson, R. E. 1993. Crystallographic analysis of C-C-A-A-G-C-T-T-G-G and its implications for bending in B-DNA. Biochemistry 32:8923-8931.

49. Guzikevich-Guerstein, Li. & Shakked, Z. 1996. A novel form of the DNA double helix imposed on the TATA-box by the TATA-binding protein. Nature Struct. Biol. 3:32-37.

50. Hahn, M. & Heinemann, U. 1993. Acta. Cryst. D 49:468-477.

51. Han, G. W., Kopka, M. L., Cascio, D., Grzeskowiak, K. & Dickerson, R. E. 1997. Structure of a DNA analog of the primer for HIV-1 RT second strand synthesis. J. Mol. Biol. 269:811-826.

52. Harrison, R.W. 1990. Direct solution of continuous densities given the Fourier magnitudes. Acta Cryst. A 46:606-619.

53. Hashmeyer, A.Y. and A. Rich. 1967. Nucleoside conformations: an analysis of steric barriers to rotation about the glycosidic bond. J. Mol. Biol. 27:369-384.

54. Heinemann, U. & Alings, C. 1989. Crystallographic study of one turn of G/C-rich B-DNA. J. Mol. Biol. 210:369-381.

55. Heinemann, U., Alings, C. & Lauble, H. 1990. Structural features of G/C-rich DNA going A or B. In Structure & Methods (Sarma, R. H. & Sarma, M. H. cds). vol. 3, pp. 39-53, Adenine Press, New York.

56. Heinemann, U., Alings, C. & Hahn, M. 1994. Crystallographic studies of DNA helix structure. Biophys. Chem. 50:157-167.

57. Hendrickson, W.A., and J. Konnert. 1979. In Biomolecular Structure, Conformations, Functions and Evolution 1:43-57 (Pergamon, Oxford).

58. Holbrook, S.R., and S.-H. Kim. 1985. Crystallisation and heavy-atom derivatives of polinucleotides. In Methods in Enzymology 114:167-175 (New York: Academic Press).

59. Holliday, R. A. 1964. A mechanism for gene conversion in fungi. Genet. Res. 5:282-287.

60. IUPAC-IUB Joint Commission on Biochemical Nomenclature. 1983. Abbreviations and symbols for the description of conformations of polinucleotide chains. Eur. J. Biochem. 131:9-15.

61. Joshua-Tor, L., D. Rabinovich, H. Hope, F. Frolow, E. Appela, and J. Sussman. 1988. The three-dimensional structure of a DNA duplex containing looped-out bases. Nature 334:82-84.

62. Joshua-Tor, L., and J.L. Sussman. 1993. The coming of age of DNA crystallography. Curr. Opin. Struct. Biol. 3:323-335.

63. Kabsch, W. 1988. Automatic indexing of rotation diffraction patterns. J. Appl. Cryst. 21:67-71.

64. Kennard, O., and W.N. Hunter. 1989. Oligonucleotide structure: a decade of results from single crystal X-ray diffraction studies. Quarterly Reviews of Biophysics 22(3):327-379.

65. Kiefer, J. R., Mao, C., Braman, J. C., and Beese, L. S. 1998. Visualizing DNA replication in a catalytically active Bacillus DNA polymerase crystal. Nature. 391: 304-307.

66. Kopka, M.L., Fratini, A.V., Drew, H.R. and Dickerson R.E. 1982. Ordered water structure around a B-DNA dodecamer. J. Mol. Biol. 163:129-146.

67. Lavery, R. & Sklenar, H. 1988. The definition of generalized helicoidal parameters and of axis curvature for irregular nucleic acids. J. Biomol. Struct. Dynam. 6:63-91.

68. Lavery, R, and H. Sklenar. 1989. Defining the structure of irregular nucleic acid: conventions and principles. J. Biomol. Struct. & Dyn. 6:655-667.

69. Leonard, G. A., and Hunter, W. N. 1993. Crystal and molecular structure of d(CGTAGATCTACG) at 2.25 Á resolution. J. Mol. Biol. 234:198-208.

70. Leonard, G. A, McAuley-Hecht. K. E., Ebel, S., Lough, D. M., Brown, T. & Hunter, W. N. 1994. Crystal and molecular structure of r(CGCGAAUUAGCG): an RNA duplex containing two G(anti.). A(anti) base-pairs. Structure. 2:483-494.

71. Leslie, A.G.W., S. Arnott, R. Chandrasekaran, R.L. Ratliff. 1980. Polymorphism of DNA double helices. J. Mol. Biol., 143:49-72.

72. Lu, X.-J. & Olson, W. K. 1999. Resolving the Discrepancies Among Nucleic Acid Conformational Analyses. J. Mol. Biol. 285:1563-1575.

73. Manderville, R. A., Ellena, J. F. & Hecht, S. M. 1995. J. Am. Chem. Soc. 117:7891-7903.

74. Matthews, B. W. 1988. No code for recognition. Nature (Lond.). 335:294-295.

75. Mayer-Jung, C., D. Moras, and Y. Timsit. 1997. Effect of cytosine metilation on DNA-DNA recognition at CpG steps. J. Mol. Biol. 270: 328-335.

76. McPherson, A. 1982. Preparation and Analysis of Protein Crystals. San Francisco:John Wiley and Son.

77. Messelson, M. S. & Radding, C. M. 1975. A general model for genetic recombination. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 76:3641-3645.

78. Miller, M., RW. Harrison, A. Wlodawer, E. Appella, and J.L. Sussman. 1988. Crystall structure of 15-mer DNA duplex containing unpaired bases. Nature 334:85-86.

79. Minyat, E.E., V.I. Ivanov, A.M. Kritzyn, L.E. Minchenkova, and A.K. Shyolkina. 1979. Spermine and spermidine-induced B to A transition of DNA in solution. J. Mol. Biol. 128:397-409.

80. Mooers, B.H., G.P. Schroth, W.W. Baxter, P.S. Ho. 1995. Alternating and non-alternating dG-dC hexanucleotides crystallize as canonical A-DNA. J. Mol. Biol. 249:772-784.

81. Navaza, J. 1994. AMORE: an automated package for molecular replacement. Acta. Crystallogr. A50:157-163.

82. Otwinowski, Z., R. W. Schevitz. R.-G. Zhang, C. L. Lawson, A. Joachimiak, R. Q. Marmorstein. B. F. Luisi, and P. B. Sigler. 1988.Crystal structure of trp-represser/operator complex at atomic resolution. Nature (Lond.). 335:321-329.

83. Otwinowski, Z. & Minor, W. 1997. Processing of X-ray diffraction data collected in oscillation mode. Methods Enzlymol. 276:307-326.

84. Parkinson, G., J. Vojtechovsky, L. Clowney, A.T. Brunger, H.M. Berman. 1996. New Parameters for the Refinement of Nucleic Acid Containing Structures, Acta Cryst. D 52:57-64.

85. Pednoult, E.P.D., M.S. Babcock, and W.K. Olson. 1993. Nucleic acids structure analysis: a users guide to a collection of new analysis prigrams. J. Biomol. Struct. Dynam. 11:597-628.

86. Pelletier, H., Sawaya, M. R, Kumar, A., Wilson, S. H. & Kraut, J. 1994. Structures of ternary complexes of Rat DNA polmerase b, a DNA template-primer, andddCTP. Science. 264: 1891-1903.

87. Qiu, H., Dewan, J. C. and Seeman, N. C. 1997. A DNA decamer with a sticky end: the crystal structure of d-CGACGATCGT. J. Mol. Biol. 267:881-898.

88. Rabinovich, D., and Z. Shakked. 1984. A new approach to structure determination of large molecules by multi-dimensional searh methods. Acta Cryst. A 40:195200.

89. Ramakrishnan, B., and M. Sundaralingam. 1993. Crystal packing effects on A-DNA helix parameters: a comparative study of the isomorphs of tetragonal & hexagonal family of octamers with different base sequences. . Biomol. Struct. & Dyn. 11:011-026.

90. Rich, A., A. Nordheim, and A. H.-J. Wang. 1984. The chemistry and biology of left-handed Z-DNA. Annu. Rev. Biochem. 53:791 -846.

91. Rosenberg J.M., N.C. Seeman, R.O. Day, and A. Rich. 1976. RNA double-helical fragment at atomic resolution. II. The crystal structure of sodium guanylyl-3',5'-cytidine nonahydrate. J. Mol. Biol. 104:145-167.

92. Rossmann, M.G. 1972. The Molecular Replacement Method. New-York, Gordon and Breach.

93. Shapiro, J. T., B.S. Stannard, and G. Felsenfeld. 1969. The binding of small cations to deoxyribonucleic acids. Nucleotide specificity. Biochemistry 8:32333241.

94. Schroth, G. P., T. F. Kagawa, and P. S. Ho. 1993. Structure and thermodynamics of nonalternating C • G base pair in Z-DNA: the 1.3 A crystal structure of the asymmetric hexanucleotide d(m5CGCGm5CG) • d(m5CGCGm5CG). Biochemistry. 32:13381-13392.

95. Seeman N.C., J.M.Rosenberg, F.L. Suddath, J.J.P. Kim, and A. Rich. 1976. RNA double-helical fragment at atomic resolution. I. The crystal and molecular structure of sodium adenylyl-3',5'-uridine hexahydrate. J. Mol. Biol. 104:109144.

96. Shakked, Z., Guzikevich-Guerstein, G., Frolow, F., Rabinovich., D., Joachimiak, A. & Sigler, P. B. 1994. Determinants of repressor/operator recognition from the structure of the trp operator binding site. Nature 368:469-473.

97. Shakked, Z., D. Rabinovich, W.B.T. Cruse, E. Egert, O. Kennard, G. Sala, S.A. Salisbury, and M.A. Viswamitra. 1981. Crystalline A-DNA: the X-ray analysis of the fragment d(GGTATACC). Proc. R. Soc. Lond. B. 213:479-487.

98. Shakked, Z., D. Rabinovich, O. Kennard, W.B.T. Cruse, S.A. Salisbury, and M.A. Viswamitra. 1983. Sequence dependent conformation of an A-DNA double-helix: the crystal structure of the octamer d(GGTATACC). J. Mol. Biol. 166:183-201.

99. Shakked, Z., and D. Rabinovich. 1986. The effect of the base sequence on the fine structure of the DNA double helix. Prog. Biophys. molec. Biol. 47:159-195.

100. Shakked, Z. 1991. The influence of the environment on DNA structures determined by X-ray crystallography. Curr. Opin. Struct. Biol. 1:446-451.

101. Soumpasis, D.M., and C.S. Tung. 1988.A rigorous base-pair oriented description of DNA structures. J. Biomol. Struct. Dynam. 6:397-420.

102. Stark, W. M., Martin, R. B. & Sheratt, D. J. 1992. Catalysis by site-specific recombinases. Trends Genet. 8:432-439.

103. Stostak, J. W., Orr-Weaver, T. L., Rothstein, R. J. & Stahl, F. W. 1983. The double-strand break repair model for recombination. Cell 33:25-35.

104. Subirana. J. A., and T. Faria. 1997. Influence of sequence on the conformation of the B-DNA helix. Biophys. J. 73:333-338.

105. Suzuki, M. &: Yagi, N. 1995. Stereochemical basis of DNA bending by transcriptin factors, Nucl. Acids Res. 23:2083-2091.

106. Timsit, Y., and D. Moras. 1991. Groove-backbone interaction in B-DNA. Implications for DNA condensation and recombination. J. Mol Biol. 221:919940.

107. Timsit, Y., Westhof, E., Fuchs, R. P. P. and Moras, D. 1989. Unusual helical packing in crystals of DNA bearing a mutation hot spot. Nature 341:459-462.

108. Tung C.S., D.M. Soumpasis, and G. Hummer.1994. An extension of the rigorous base-unit oriented description of nucleic-acid structures. J. Biomol. Struct. Dynam. 11:1327-1344.

109. Verdaguer, N., Aymaml, J., Fernandez-Forner, D., Fita, I., Coll, M., Huynh-Dinh, T. M., Igolen, J. & Subirana, J. A. 1991. Molecular structure of a complete turn of A-DNA. J. Mol Biol 221:623-635.

110. Verdaguer, N., Perello, M., Palau, J. & Subirana, J. A. 1993. Helical structure of basic proteins from spermatozoa comparison with model peptides. Eur. J. Biochem. 214:879-887.

111. Wahl, M. C., Rao, S. T. & Sundaralingam, M. 1996. Crystal structure of the B-DNA hexamer d(CTCGAG): model tor an A-to-B transition. Biophys. J. 70:2857-2866.

112. Wang, A. H.-J., G. J. Quigley, F. J. Kolpak. J. L. Crawford, J. H. van Boom, G. van der Marel, and A. Rich. 1979. Molecular structure of a left-handed double helical DNA fragment at atomic resolution. Nature (Lond.). 282:680-686.

113. Wang, A. H.-J., S. Fujii, J. H. van Boom, G. A. van der Marel, A.A. Stan, and A. Rich. 1982. Molecular structure of a r(GCG)d(TATACGC): a DNA-RNA hybrid helix joined to double helical DNA. Nature (Lond.). 299:601-604.

114. Wang, A. H.-J., T. Hakoshima, G. A. van der Marel, J. H. van Boom, and A. Rich. 1984. AT base pairs are less stable than GC base pairs in Z-DNA: the crystal structure of d(m(5)CGTAm(5)CG). Cell. 37: 321-331.

115. Wang, A. H.-J., R. V. Gessner, G. van der Marel, J. H. van Boom, and A. Rich. 1985. Crystal structure of a Z-DNA without an alternating purine-pyrimidine sequence. Proc. natn. Acad. Sei. U.S.A. 82:3611-3615.

116. Watson, J.D., and F.H.C. Crick. 1953. A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 171:737-738.

117. Westhof, E. 1984. In Handbook of Biochemistry, Nucleic Acids (Ed. Fasman, G. D.) Vol. II, 411 -422, CRC PRESS, Boca Raton, FL.

118. Westhof, E. 1987. Re-refinement of the B-dodecamer d(CGCGAATTCGCG) with a comparative analysis of the solvent in it and in the Z-hexamer d(5BrCG5BrCG5BrCG). J. Biomol. Struct. Dyn. 5:581-599.

119. Westhof, E., P. Dumas, and D. Moras. 1985. Crystallographic refinement of yeast aspartic acid transfer RNA. J. Mol. Biol. 184:119-145.

120. Wilson, J. H. 1979. A nick-free solution to the topological in genetic recombination. Proc. Nat. Acd. Sei. USA 76:3641-3645.

121. Wing, R., H. Drew, T. Takano, C. Broka, S. Tanaka, K. Itakura, and R.E. Dickerson. 1980. Crystal structure analysis of a complete turn of B-DNA. Nature (Lond.). 287:755-758.231

122. Wood, A. A., Nunn, C. M., Trent, J. O. & Neidle, S. 1997. Sequence-dependent crossed helix packing in the crystal structure of a B-DNA decamer yields a detailed model for the Holliday junction. J. Mol. Biol. 269:827-841.

123. Yanagi, K., Privé, G. G. & Dickerson, R. E. 1991. Analysis of local helix geometry in three B-DNA decamers and eight dodecamers. J. Mol. Biol. 217:201214.

124. Zhurkin, V. B., Raghunathan, G., Ulyanov, N. B. 1994. A parallel DNA triplex as a model for the intermediate in homologous recombination. J. Mol. Biol. 239:181200.