〔提要〕七十年代的最后一年是分子生物学取得重大成就的一年，这就是左旋 DNA结构的发现。自1953年由J. Watson和F. Crick发现DNA的右旋双螺旋结构以来，一直认为它是DNA的普遍结构形式，并在生命体内占压倒优势。可是，去年12月13日这一定论被A. Rich等科学家打破了，他们发现了左旋DNA结构。
这里三篇文章就是关于左旋DNA的发现及其在生物学上的意义的最新报道及论述。
d（CpGpCpGpCpGp）DNA片段结晶成左旋的双螺旋分子，它们的碱基按照Watson-Crick法则配对、二条糖磷酸链互相平行而方向相反、这种双螺旋的每一个不对称单位里有二个核苷酸，每一螺旋包含十二个碱基对。它和右旋B-DNA有着明显的差异。
人们已对DNA的Watson-Crick双螺旋分子结构的许多生物学和化学现象作了分析，认为B型DNA在生物系统中占压倒优势。人们也讨论过双螺旋构型转换的问题，包括因改变碱基的倾斜度而造成的双螺旋参数的变化。我们关于DNA分子结构的知识大多数来自DNA纤丝的X光衍射研究，由于实验数据较少，这一技术有其局限性，所以能够阐明的问题必定有限，双螺旋中的原子就分辨不了。要更详尽地了解DNA双螺旋结构，最称心的是把有固定顺序的DNA片段结晶，并在原子分辨水平上解决它们的三维结构问题。这里我们报道：有六对碱基、顺序为d（CpGpCpGpCpGp）的双螺旋DNA片段的结晶和结构分析；具有dG-dC交替顺序的BNA很有意思，因为人们已经知道它存在着可以区分的两种构型，在高盐或低盐溶液中都是稳定的。这一自身互补六聚物的晶体结构在0.9?原子分辨的水平上得到解决。发现它是一个具有新颖三维结构的左旋双螺旋，完全不同于熟悉的B型DNA右旋双螺旋。
结晶和结构解析
按照最近发展起来的磷酸三脂法稍作修改后，制备d(CG)3六聚物的氨盐，用制备tRNA晶体的蒸发扩散法，在下述溶液中生长晶体：30 mM二甲胂钠缓冲液（pH7.0），10mM四氯精胺，15 mM MgCl2和2 mMd(CG)3。沉淀剂是5%的异丙醇。晶体在削成长方形的板上生长3周以上，经测量达到0.7×0.7×0.5 mm的晶体供X光衍射分析。晶体与母液微滴一起密封在玻璃毛细管里固定。这是一个空间基团P212121的斜方晶体，小室尺寸为a=17.88，b=31.55，c=44.58?。h01精密照相显示在C轴的3.4 ~ 3.7?区域有强烈反射，表明六聚物分子的排列方向是它们的碱基垂直于C轴。根据单位小室的大小，我们估计在这个不对称小室里可能是一条含12个核苷酸的双螺旋。晶体高度有序，用Picker衍射计收集了分辨率为0.9?的完整的三维数据。
奇妙的结构
d(CG)3结构有B-DNA某些熟悉的特性。它是一个反向平行的双螺旋片段，鸟嘌呤和胞瞭啶之间按Watson-Crick碱基配对。然而又不像B-DNA，它是左旋螺旋结构。即使只有6个碱基对的寡聚物，这个结构也有很多内在的规律性。另外，在晶格内分子的配置是：六聚物对称地一个堆砌在另一个上面，仿佛像无限个C-G顺序交替的多聚物。这里提出的这一结构的细节涉及六聚物本身，和B-DNA比较时涉及晶体装配中所见到的左旋多聚DNA。
图1是具有C1-G6六个残基的不对称单位中双股螺旋的一股的投影图。另一股包括C7-G12的残基，构成类似的螺旋形。
如图1所示，半个分子里的六个碱基互相平行排列。可是，骨架确实与众不同，这一点在van der Waals示意图里可以清楚地看到，该图显示磷酸根沿骨架循锯齿型排列。因此，糖的残基是交替取向，dG残基的脱氧核糖的01'朝上，而在dC残基里脱氧核糖01'朝下。由于这一交替，螺旋中的重复单位就不像B-DNA那样是单核苷酸，而是一个双核苷酸。图2是沿C轴堆砌起来的三个分子立体图。即使这个螺旋因末端残基上没有磷酸根而中断，看上去还是像一个连续的双螺旋。螺旋的每一圈有12个碱基对或更确切地说是6个二聚物残基。每1、dCpGp（或dGpCp）二聚物对下面一个二聚物旋转-60°。双螺旋的碱基对相对于螺旋轴倾斜7°。立体图说明磷酸根沿骨架有二种位置。这些差别和dG与dC残基之间配糖构型的不同有关。一个碱基相对于糖残基上一般可占二种位置，反式和顺式。在这一结构中，dC残基的碱基是反式构型，和B-DNA里的情况一样；而dG残基上的碱基则是顺式构型。鸟嘌呤的顺式构型与糖残基的一折迭有关，折迭是因为链中间的二个dG残基是C3'桥，而最后一个dG是C2'挢构型。dG残基绕C4'-C5'键的扭转角度是左顺 - 左反。dC残基是反式构型，它的糖有C2'桥的折迭，并且C4'-C5'键的扭转角度是左顺 - 左顺。因而，dC残基具有在B-DNA里见到的那种构型；反之，在中间的残基，它的碱基绕配糖键有一异常的旋转，脱氧核糖环有异常的折迭以及磷酸根有异常的构型。图2的左旋螺旋中可清楚地看到，核糖磷酸骨架后面有一条由交替残基构型造成的锯齿形。为此我们主张叫它Z-DNA。
左旋双螺旋的内在规律
尽管碱基按照类似于里的方式堆砌起来，但仍有很大差异，见图3所示。d(CG)3双螺旋有六个碱基对的层次，碱基C1与G12配对，G2与C11配对，依此类推。图3是螺旋轴向下的成对投影。粗线表示的1-12/2-11是上面的碱基对，迭在用细线表示的下一层的碱基对上面。图中左边一行表明第一对在第二对上面，第三对在第四对上面和第五对在第六对上面的碱基堆砌，它们都是dCPG顺序。最下面的是B-DNA的dCpG顺序。Z-DNA里的dCpG碱基对不是彼此直接堆砌的，而是彼此侧移几乎7?再堆砌，所以成了剪刀状，一个碱基对相对于链上下一个碱基对只旋转了一点儿。上面一个碱基对的胞嘧啶有一部分堆在下—个碱基对的胞嘧啶上面。应堆砌在这些碱基上的鸟嘌呤，就堆砌在下一个脱氧核糖残基的01'氧原子上。这个图也说明dG残基是顺式构型。图3中最明显的事实是，所有三个dCpG顺序的堆砌示意图彼此相似，好像这种双螺旋片段有其内在规律。因此这一规律性不是晶格的结晶照相限制所强加的，而似乎是分子双螺旋结构的直接结果。但要注意到，这一规律性是不确切的。晶格里各种离子的分布带来细小的紊乱。
图3中的实心圆点表示螺旋轴的位置，它位于靠近胞嘧啶的O2那个碱基对的外面，在这里它可能与Z-DNA螺旋的小沟相对应。这和B-DNA相反（见最下面的图），在B-DNA中螺旋轴通过这一碱基对。
图3中糖磷酸链的情况对Z-DNA和B-DNA都是一致的。也就是在所有示意图中，糖磷酸骨架都是从5'到3'，从读者的左侧离开。注意，Z-DNA的小沟在碱基对的下面，反过来B-DNA的小沟在碱基对的上面。因此，相对于B-DNA来说，Z-DNA小沟的位置是颠倒了。此外，Z-DNA没有大沟，它已转化成为位于分子上部的一个凸面（像图3所示）。
图3右列表示dGpC残基的堆砌。碱基的堆砌彼此间有很多重迭，情况有点儿像B-DNA；另外，横过螺旋的磷酸根之间的距离（15?）接近B-DNA里的情况（17.5?）；而在dCpG残基中，相应的距离短了些（12.5?）。与dCpG顺序相反，沿着螺旋dGpC相邻的碱基对有相当大的旋转（见表1）。右列第三图中，一个螺旋底部的G6-C7碱基对的位置，以相对于晶体晶格中直接在它下面那个螺旋中C1'-G12'碱基对的位置来表示，这样包装实际上和上述所说的中间部位dGpC残基的堆砌完全一样。因而，尽管在端部少了两个磷酸根，横跨二个分子的螺旋仍保持了连续性。上面已经提到过，在分子的端部有小小的紊乱。鸟嘌呤6和12的糖残基是顺式构型，而且以C2'桥糖折迭代替了中间部位鸟嘌呤核苷C3'桥的折迭。也许这是由于缺少磷酸脂键的缘故。
图3还说明鸟嘌呤咪唑环从Z-DNA分子中心伸出，造成了分子的凸面部分。鸟嘌呤核苷顺式构型的直接后果是N7和C8原子暴露于外部的溶剂。
比较细长的DNA螺旋
图4是Z-DNA和B-DNA端视图的比较。二幅图都表示双螺旋完整的一圈。G-C顺序交替的B-DNA每一圈由10个碱基对组成，而Z-DNA由12个碱基对组成。为了说明碱基位置上的差异，一条链上的所有鸟嘌呤残基涂成深色，可以见到Z-DNA的鸟嘌呤大约是六角对称，大部分在分子的外部，相反，B-DNA里的鸟嘌呤是五角对称，聚在近分子的中心部分。（五角对称只是对鸟嘌呤而言，对整个骨架讲应是十角对称）。此外，和直径为20?的B-DNA比较，Z-DNA螺旋稍小一点，直径为18?。B-DNA的投影有精确的对称性，就像它来自假定在对称的同一位置上可找到每个碱基对的模型。Z-DNA示意图是顺着晶体整个44.6? C轴的投影。它没有B-DNA模型那样的规律性，部分由于螺旋中少了二个磷酸根。
Z-DNA有全新的对称性
图5是Z-DNA和B-DNA的van der Waals侧视图。Z-DNA分子看上去像一个圆柱体，分子的大部分构成了圆柱体的壁。Z-DNA螺旋每圈有6个单位，每个单位有二个碱基对。因此，每绕轴60°螺旋重复一次。图5是Z-DNA90°间隔的二张侧视图，可是因为六角对称，它们就等于二个间隔30°的视界。右面的B-DNA每圈有10个碱基对，因此每绕轴36°看上去都相同。这里只显示了一个视界，因为间隔18°的二个视界不足以把彼此区别开来。
图5中的B-DNA双螺旋是一连续的多聚物；而Z-DNA双螺旋单纯是单位小室内容的图解表示，因为是从两个不同的角度看的。然而，单位小室的内容非常接近于连续双螺旋的内容。Z-DNA连续双螺旋所具有的对称性类似于B-DNA，但不完全相同。B-DNA有两种垂直于螺旋轴的双重折迭轴，这是由于两条骨架链反向平行而产生的。这些双重折迭轴既能在碱基对平面里，又能在碱基对之间找到。Z-DNA骨架由交替的构型组成，因此，就失去了碱基对平面的双重折迭轴，而保留碱基对之间的双重折迭轴。这就反映了一个事实，尽管在沿着骨架链相继连续的残基中构型不同，两条骨架链仍然反向平行。有关Z-BNA最令人注目的情况之一是磷酸根位置的交替。图5用浓的黑线沿着骨架把磷酸根一一描了出来就是要强调这一点。浓黑线描过所有的磷酸根，包括Z-DNA结构中失去的一个。在B-DNA里，这些线是光滑而连续的，并且是右旋5可是在Z-DNA中变成一条锯齿形、不连续的左旋线。Z-DNA有比R-DNA深得多的小沟，没有大沟而且相对于B-DNA多少有点外翻。B-DNA的大沟带有位于底部碱基对的凹面，而Z-DNA的类似部分是圆形的凸面，它由鸟嘌呤的咪唑基显著地露在凸面上的那些碱基所构成。
Z-DNA比B-DNA细长。在44.6?里有12个碱基对，而同样长度的B-DNA可容纳13个碱基对，因为碱基对沿轴的平均距离是3.7?。虽然Z-DNA中的碱基仍以3.4?间隔堆砌，可是碱基对和轴倾斜了7°，这样的交接方式使得它们沿螺旋轴的实际距离变成3.7?。Z-DNA看上去像圆柱体，沟状外形比B-DNA来得少，因为它只有一条狭沟。
Z-DNA分子大多由绕在轴上的带状物质所构成，轴是空心的、没有原子。左旋缠绕造成一条深沟，顺着分子轴一直延伸下去。这条沟有着锯齿形的磷酸根边缘，它是由于脱氧核糖磷酸链呈锯齿形所造成。沟两边之间的磷酸根间隔是8.5?，而沟本身大约深9?，似乎到达直径为18?的分子的轴。磷酸根被阳离子中和，它们的结构将另文介绍。围绕着分子的螺旋沟占据了相当大的空间。在图2的立体示意图中能见到这条沟，但是沟的深度在图5的van der Waals示意图中不明显。
DNA结构的详细知识
我们有关DNA分子结构的知识大多数来自DNA纤丝的X光衍射研究，从中得到糖磷酸链和碱基一般构成情况的资料，但分辨率有限；而核苷酸和核苷结晶的X光衍射研究，则提供了各个成分几何图形的资料。至今尚无DNA分子的大分子精细结构的详细资料。我们对螺旋构成稍有了解，这方面最原始的一些研究来自RNA双螺旋片段，rApU和rGpC二核苷磷酸形成双螺旋片段的晶格，提供了螺旋RNA片段的详细资料。关于DNA的类似资料得自dpApTpApT四聚物的结构，它结晶成右旋螺旋片段，每个片段各含两种碱基对。有关伸展的大分子螺旋结构的资料来自酵母苯丙氨酸tRNA，它的结构已精细到2.5?分辨率。有人报道用含有两种碱基对、并在碱基对插一嵌入剂的DNA螺旋片段作了原子分辨研究。可是只有两种碱基对的螺旋片段，使人关心到分子的端部效应。本研究是第一次向大家提供关于DNA大分子片段的资料。
人们对DNA的结构设想了好几个模型。其中有些涉及到“肩并肩”式的并排结构，即DNA交替地从右旋变成左旋。在Z-DNA中发现的结构原理，与以往对各种左旋DNA提出的结构原理有很大不同。Z-DNA的结构要素同鸟嘌呤和胞嘧啶残基交替造成的构型差异有关。
文中的结构为左旋DNA的构造提供了更多细节。这一资料是有关左旋DNA分子本身的原子分辨数据之结果，但也牵涉到晶体结构中发现的许多水分子和离子的结构情况。因而，我们面临着一种有趣的悖论，即我们对Z-DNA结构的了解，比熟悉的B-DNA结构更为详细，但后者却被认为是生物系统中占绝对优势的形式！
DNA的两种形式
Pohl和Jovin首次描述鸟嘌呤和胞嘧啶残基交替顺序的DNA有两种构型。他们发现，提高NaCl或者MgCl2的浓度会引起由一种构型变成另—种构型的奇妙的协调变化，这种变化用圆偏振光二色性（CD）的改变来监测最方便，因为CD图几乎完全相反。反过来，这也就证明有高盐构型和低盐构型。乙醇也会诱发构型的变化。此外，加入嵌入剂会引起高盐型转变成低盐型。Pohl和Jovin还证实低盐型就是人们熟悉的B-DNA。最近，对这—多聚物的高盐型和低盐型的磁共振研究表明，高盐型有两个31p共振，而低盐型只有一个在B-DNA里也见到过的共振。
我们一定很自然地会问一个问题，我们所见到的Z-DNA是哪一种分子构型？晶体建于接近生理状态的盐环境中，同把多聚物变成高盐型所需的高浓度相比，这种环境里的盐极少。然而Z-DNA结构表现有两种不同的磷酸盐环境，dCpG和dGpC里的二个磷酸二脂键有显著差异，表明它是高盐31p共振波谱里见到的二个峰的起源。高盐型的PMR波谱分析进一步支持上述说法。低离子强度时在B-DNA占优势的溶液里有可能存在少量Z-DNA. 可是，分子以Z - 型结晶引起溶液在结晶过程中渐渐的变化，精胺分子的存在也有可能促进了这一变化。Z-DNA小沟两边的磷酸根彼此比B-DNA里的更靠近，这一事实说明，由于高浓度盐的存在阻碍了磷酸根的相斥作用，使得该结构在溶液里有可能是稳定的。
poly(dA-dT) · poly(dA-dT)和poly(dG-dC) · poly(dG-dC)以及poly(dl-dC) · doly(dl-dC)纤丝的X光衍射图已经得到。这些纤丝产生的衍射图叫做D-DNA，每一圈有8个残基。最初分析poly(dl-dC)交替的多聚物时，有一种说法认为它也许是左旋螺旋。可是它的大小显然不同于我们观察的Z-DNA。所以，纤丝的衍射图和Z-DNA之间的关系现在还不清楚。我们在晶体里见到的Z-DNA构型，每一螺旋有12个残基（6个二聚对）。晶格的对称性对分子没有什么限制。因此，有理由相信分子的这一构型或许代表了一种稳定的构型。这种螺旋的装配是否视多聚物而变化还不清楚。我们不能排除每一圈的碱基对数目稍有变化的可能性，尽管难以相信该结构可被绷紧到像D-DNA那样，即螺旋的每一圈有8个残基的说法。
ZDNA和B-DNA之间的拓扑关系
B-DNA和Z-DNA都有双螺旋构型，双螺旋中的两条脱氧核糖磷酸脂链的极性相反；这些链具有像上面讨论过的双重折迭轴。可是两个分子之间有某些显著的差别，见表1。假如一人面朝B-DNA模型的小沟，在右边的脱氧核糖磷酸脂链的取向是5'到3'向下。如果一个人面朝Z-DNA的小沟，在右边的脱氧核糖磷酸脂链有相反的极性。那么是怎样由B-DNA转换成Z-DNA的呢？图6描绘的图形有助于理解这一转换。两个分子之间的最大差别在子碱基对对糖磷酸脂链的取向。实际上，把Z-DNA里的碱基对翻转180°就变成它们在B-DNA里所占有的位置。图6通过把碱基对的一面涂成深色，而另一面仍是白的来阐明这一点。在B-DNA中，所有朝上的表面都是白的。转换成Z-DNA也许和碱基对开始分开、旋转接着碱基对重新连接相联系。糖苷键的旋转只有鸟嘌呤残基会发生，结果变成顺式构型。整个胞嘧啶残基，碱基加糖，一起旋转，仍保持反式构型。胞嘧啶的糖残基的旋转是糖磷酸脂骨架出现特征性锯齿形的要素之一，为简明起见，图6没有介绍dG和dC残基之间的差异。
我们已经完成Z-DNA和B-DNA模型建造的研究，并且提出过有否把二者联系起来的可能。我们认为二者是可以联系的，不过是以特殊的方式。如图3所示，在dGpC片段里横过轴的磷酸根与磷酸根间的距离，大于dCpG片段里的距离。前者为15?，接近B-DNA中的距离（17.5 ?）。因而在这一点上可与B-DNA联系起来，而在dCpG片段中则不行。表明在B-DNA中间的Z-DNA片段很可能涉及双数的核苷酸。可是，重要的是要注意Z-DNA和B-DNA相关之处，即碱基对堆砌在横过轴的二个磷酸根连线的对侧。这就意味着在B-DNA和Z-DNA之间的接合处将是不连续的堆砌，其结果是分子会扭结。图6这样绘制就是考虑到堆砌的不连续性。有证据表明在天然DNA中存在着Z-DNA片段。用丝裂霉素C烷化DNA中的鸟嘧呤残基，结果使CD改变，这一变化类似于在dC-dG交替多聚物的高盐型中见到过的情况，说明当受到鸟嘌呤烷化作用的驱使时，在B-DNA中间可能找到Z-DNA的片段。高盐溶液中DNA的CD研究也表明DNA分子的片段会Z-DNA. 有趣的是单链环状质粒DNA自身退火形成一双螺旋的结构，其长度的70%以上似乎是完整的。这也与CD中的变化相关联，这些变化同在退火的环状中形成了左旋DNA片段符合一致。在这个例子中，退火单链环相互之间拓扑上的压抑迫使建立左旋片段，用CD变化已判断出后者或许采用Z-DNA构型。为了得出确凿的结论，排除任何其它左旋螺旋结构，必须更可靠地确定观察到的CD转换和Z-DNA结构形成之间的关系。
Z-DNA结构严格限定在鸟嘌呤和胞嘧啶的交替顺序吗？现在我们还不能作出肯定回答。从结构来看，似乎也许可任何嘌呤和嘧啶交替的顺序，譬如用AT碱基对氏替GC碱基对对这一结构可能不会有大的扰乱。可是对于Z-DNA中用AT代替GC或许稍有保留，在鸟嘌呤氨基N2和水分子之间发现有氢键，即水分子的氢依次结合到沟边缘磷酸根的氧原子之一，这个水分子可能结合得很紧，且可用于稳定结构。但是，它们的作用不清楚。要决定任何交替的嘌呤 - 嘧啶顺序能否形成Z-DNA，需要做进一步的实验。在这方面还应指出，嘧啶残基的顺式构型不及嘌呤残基来得合理，但是仍有许多分子以顺式构型的嘧啶残基结晶出来，因而对Z-结构与顺序交替的关系必须作进一步的研究。
Z-DNA结构和鸟嘌呤、胞嘧啶交替顺序的RNA的关系，我们同样不清楚。RNA中糖的取向是C2'上的C-H从分子中央伸出，因此核糖基应该像脱氧核糖残基一样行得通。不过，脱氧核糖呋喃环的两种糖折迭型式之间的能量差更小些，而核糖残基的能量差稍大。因此，这也许使核糖核酸的Z-结构的稳定性比脱氧核糖核酸的差。鉴于现有的实验数据，对Z-结构和核糖核酸之间的关系必须作进一步研究。
Z-DNA的生物学意义
Z-DNA结构代表一种稳定的、具有特异顺序的DNA替换构型。它可能在生物系统中的这一点或那一点有用。Z-DNA比B-DNA需要更高的阳离子浓度。我们知道与核酸结合的蛋白质含有大量碱性基团；因此，其中某些蛋白质也许会在活体条件下把B-DNA的片段转换成Z-DNA. 这一问题现在正受到实验的检验，尤其是从增加Z-DNA片段中鸟嘌呤N7和C8位置的易感性着手的实验。Z-DNA是由于有特异的核苷酸顺序而导致在DNA骨架上诱发实质性构型改变的突出例子。和DNA相结合的蛋白质可能有很高的特异性，由于蛋白质的存在而稳定了这种结构上的转换。可以方便地得到顺序确定的、克隆化DNA片段以及与DNA相结合的蛋白质，一定会大大促进这类构型变化的研究。
假如有人仔细查看有生物学活性的顺序，就会发现自然界偶而也保留了鸟嘌呤、胞嘧啶残基交替的顺序，例如，啮齿类细小病毒属，在复制起始区附近有一高度保守的片段，二个片段中一共包含了20个交替的G、C残基。另外，沙门氏菌组氨酸D基因片段有一发生突变的“热点”，它包括一段8个交替的G、C残基。现在我们能向这些顺序是否和Z-DNA结构有关。
有许多试剂特异地在鸟嘌呤O6，N7或C8位置上发生垸化作用，其中有几个是很活泼的致癌剂，例如在C8位置上烷化的N-醋酸-N-2-乙酰氨基芴和在N7位置上烷化的亚硝胺、氮芥、硝基脲和黄曲霉毒素。这些致癌剂所引起的低水平烷化作用可能和活体内Z-DNA结构的形成有关，因为这样可以大大增加它们的反应性。这个题目现在可以用很容易形成Z-DNA的模式顺序来进行研究。
G-C碱基对形成一部分Z-DNA的外表面，所以和B-DNA相比，胞嘧啶C5位置对酶更易感些。在真核DNA中CpG顺序相对少些，而且它们的胞嘧啶C5位置常常高度甲基化，在无活性的基因中尤其如此。上面提到过在B-DNA中间的Z-DNA片段可以找到CPG单位，这些有可能就是胞嘧啶甲基化的位置吗？有人推测甲基化作用的信号本质上或许是物理性的，而识别CpG Z-DNA片段的酶也许是这一修饰作用的基础。
要全面了解DNA的分子生物学和化学，就要求我们不仅要了解B型DNA的结构，而且也要了解分子会采取的其它构型的结构。对明显不同于我们熟悉的B-DNA右旋双螺旋构型的那些构型，尤其是如此。Z-DNA是可供替换构型中的第一个，它应激励我们探索其它的DNA构型，使得我们在试图了解DNA的分子生物学的时候想得更加深远。
（Nature 1979 Vol. 282 No5740）