Двойная спираль ДНК, в зависимости от условий, может иметь разную геометрическую форму. Из большого количества её конформаций, кроме В-формы, обычно наблюдаемой в физиологическом растворе, широко известны её A, C и Z формы, и менее известны D, Хугстиновская и X формы. Однако неканонические формы ДНК играют важную биологическую роль. ДНК принимает эти формы (локально или целиком) в клетке, в критически важных комплексах с белками (например, с транскрипционными факторами или в нуклеосоме), и в лаборатории, в условиях низкой диэлектрической проницаемости, присутствия соли, низкой влажности или малого доступного объёма. В кристалле ДНК форму спирали (а также кристаллографическую ячейку) можно определить рентгеновскими методами. Сравнение Рамановских и ИК спектров от волокон разных форм ДНК позволило выделить линии-маркеры форм, отвечающие модам колебаний ДНК, изменяющим частоту при конформационном переходе. Эти маркеры позволяют отдельно оценить геометрию спирали и число дезоксирибоз и фосфатов в неканонических конформациях. Спектральные маркеры форм уже могут использоваться для определения конформации ДНК в растворе, в неупорядоченном геле и в клетке, в комплексе с белками. В упорядоченном геле формы ДНК можно различить методом линейного, а в неупорядоченном геле или растворе - кругового дихроизма. Спектроскопия магнитного резонанса ядер изотопа фосфора-31 позволяет определить количество фосфатов в неканонической BII конформации с учётом зависимости от соседних оснований. Мы проводим обзор существующих экспериментальных методов различения форм молекулы ДНК и обсуждаем трудности и перспективы достоверного определения геометрии спирали, конформаций дезоксирибоз и фосфатов.

Работа была выполнена за счёт субсидии, выделенной ФИЦ ХФ РАН на выполнение государственного задания, тема FFZE-2022-0009 (регистрационный номер 122040500069-7). Расчеты проведены в Межведомственном Суперкомпьютерном Центре Российской Академии Наук.

Depending on the environment, the DNA double helix can change its geometry. Besides the usual B-form, the A, C and Z conformations are more known, while the D, Hoogsteen and X forms are rarely mentioned. However, the non-canonical DNA forms play an essential biological role. The DNA molecule takes (locally or as a whole) one of these forms in vivo in critically important complexes with proteins (for example, in transcription complexes or nucleosomes), and in vitro under conditions of low dielectric constant, presence of salt, low water activity, or small volume.

In DNA crystals, the helix geometry (as well as the crystallographic cell) can be determined by X-ray methods. Comparison of the Raman and IR spectra from fibers of different DNA forms allowed to single out bands - markers corresponding to DNA vibration modes that change frequency after conformational transitions. These markers make it possible to separately estimate the helix geometry and the share of deoxyriboses and phosphates in noncanonical conformations. The spectral markers can be used to determine the DNA conformation in solutions, in nonoriented gels, and in cells, in DNA-protein complexes. In oriented gels, the DNA forms can be distinguished by the linear dichroism method, and in nonoriented gels or in solutions – by the circular dichroism method. Phosphorus-31 NMR studies allow to determine the fraction of phosphates in the non-canonical BII conformation depending on the type of the neighboring nucleobases. We review the existing experimental methods for distinguishing the DNA double helix conformations and discuss the difficulties and prospects for a reliable determination of the helix geometry, deoxyribose and phosphate conformations.

This work was supported by the Program of Fundamental Research of the Russian Academy of Sciences (project FFZE-2022-0009, registration number 122040500069-7). The calculations were carried out in the Joint Supercomputer Center of the Russian Academy of Sciences.