DNA supercoil - DNA supercoil
Superšroubovice DNA se týká přetočení nebo podvinutí vlákna DNA a je výrazem kmene na tomto řetězci. Supercoiling je důležitý v řadě biologických procesů, jako je například zhutňování DNA, a regulováním přístupu ke genetickému kódu supercoiling DNA silně ovlivňuje metabolismus DNA a případně genovou expresi. Navíc některé enzymy, jako jsou topoizomerázy, jsou schopné měnit topologii DNA, aby usnadnily funkce, jako je replikace DNA nebo transkripce . Matematické výrazy se používají k popisu superšroubovice porovnáním různých stočených stavů s uvolněnou B-formou DNA.
Přehled
V „uvolnil“ double-helikální segment B-DNA , dvě vlákna otočit spirálovou osy jednou za 10.4-10.5 párů bází v sekvenci . Sčítání nebo odčítání zákrutů, jak to dokážou některé enzymy , vyvolává napětí. Pokud by segment DNA pod zkrouceným kmenem byl uzavřen do kruhu spojením jeho dvou konců a poté by se nechal volně pohybovat, kruhová DNA by se zkřivila do nového tvaru, například do jednoduché osmičky. Takové zkroucení je supercívka . Podstatné jméno forma „supercoil“ se často používá v kontextu topologie DNA .
Při replikaci a transkripci DNA se přechodně generuje pozitivně nadšroubovicová (přemnožená) DNA, a pokud není okamžitě uvolněna, tyto procesy inhibuje (reguluje). Jednoduchá osmička je nejjednodušší supercoil a má tvar, který kruhová DNA předpokládá, že pojme příliš mnoho nebo příliš málo šroubovicových zákrutů. Dva laloky osmičky se budou navzájem otáčet buď ve směru hodinových ručiček, nebo proti směru hodinových ručiček, v závislosti na tom, zda je šroubovice přetažená nebo podvinutá. Při každém dalším přizpůsobení spirály bude laloky vykazovat ještě jednu rotaci kolem své osy. Obecným pravidlem je, že DNA většiny organismů je negativně nadšroubovicová.
Lobální zkroucení kruhové DNA, jako je rotace osmi laloků nahoře, se označuje jako svíjení . Výše uvedený příklad ilustruje, že kroucení a svíjení jsou vzájemně převoditelné. Superšroubování lze matematicky znázornit součtem kroucení a svíjení. Zkroucení je počet šroubovicových závitů v DNA a svinutí je počet, kolikrát na sebe dvojitá šroubovice přejde (to jsou supercívky). Extra šroubovicové zákruty jsou pozitivní a vedou k pozitivnímu superšroubování, zatímco subtraktivní zkroucení způsobuje negativní superšroubování. Mnoho enzymů topoizomerázy vnímá superšroubování a při změně topologie DNA je buď generuje, nebo rozptyluje.
Částečně proto, že chromozomy mohou být velmi velké, mohou segmenty uprostřed působit, jako by byly jejich konce ukotveny. V důsledku toho nemusí být schopni distribuovat přebytečné kroucení do zbytku chromozomu nebo absorbovat kroucení, aby se vzpamatovali z navíjení - segmenty se mohou stát superšroubovitými , jinými slovy. V reakci na navíjení převezmou množství svinutí, jako by se jejich konce spojily.
Superšroubovicová DNA tvoří dvě struktury; plectoneme nebo toroid , nebo kombinace obou. Negativně navinutá molekula DNA vytvoří buď levotočivou šroubovici s jedním startem, toroid, nebo pravotočivou šroubovice se dvěma starty s koncovými smyčkami, plektoném. Plectonémy jsou obvykle v přírodě běžnější a to je tvar, který bude mít většina bakteriálních plazmidů . U větších molekul je běžné, že se tvoří hybridní struktury - smyčka na toroidu může zasahovat do plektonému. Pokud se všechny smyčky na toroidu rozšíří, stane se bodem větve v plektonemické struktuře. Superšroubování DNA je důležité pro balení DNA ve všech buňkách a zdá se, že také hraje roli v genové expresi.
Interkalací indukované superšroubení DNA
Na základě vlastností interkalačních molekul, tj. Fluoreskujících po navázání na DNA a odvíjení párů bází DNA, byla nedávno zavedena technika jedné molekuly pro přímou vizualizaci jednotlivých plectonémů podél superšroubovicové DNA, což by dále umožnilo studovat interakce zpracování DNA proteiny se superšroubovicovou DNA. V této studii byl Sytox Orange (interkalační barvivo) použit k indukci superšroubení na povrchových upoutaných molekulách DNA.
Pomocí tohoto testu bylo zjištěno, že sekvence DNA kóduje polohu plektonemických supercívek. Dále bylo zjištěno, že DNA supercoily jsou obohaceny na počátečních místech transkripce v prokaryotech.
Funkce
Balení genomu
Superšroubování DNA je důležité pro balení DNA ve všech buňkách. Protože délka DNA může být tisíckrát delší než buňka, zabalení tohoto genetického materiálu do buňky nebo jádra (v eukaryotech) je obtížný výkon. Superšroubování DNA zmenšuje prostor a umožňuje balení DNA. U prokaryot převládají plectonemické superšpirály kvůli kruhovému chromozomu a relativně malému množství genetického materiálu. V eukaryotech existuje supercoiling DNA na mnoha úrovních plektonemických i solenoidních supercoilů, přičemž solenoidní supercoiling se ukazuje jako nejúčinnější při zhutňování DNA. Solenoidového superšroubování je dosaženo histony za vzniku 10 nm vlákna. Toto vlákno se dále stočí do 30 nm vlákna a dále se navine na sebe mnohonásobně více.
Balení DNA se během mitózy výrazně zvyšuje, když jsou duplicitní sesterské DNA segregovány do dceřiných buněk. Bylo ukázáno, že kondenzát , velký proteinový komplex, který hraje ústřední roli v mitotické sestavě chromozomů, indukuje pozitivní superšpirály způsobem závislým na hydrolýze ATP in vitro . Supercoiling by také mohl hrát důležitou roli během mezifáze při tvorbě a údržbě topologicky asociovaných domén (TAD).
Supercoiling je také vyžadován pro syntézu DNA/RNA. Protože DNA musí být odvinuta pro působení DNA/RNA polymerázy , vzniknou supercívky. Oblast před polymerázovým komplexem bude odvinuta; toto napětí je kompenzováno pozitivními supercoily před komplexem. Za komplexem se přetáčí DNA a budou tam kompenzační negativní supercívky. Topoisomerázy, jako je DNA gyráza (topoizomeráza typu II), hrají roli při uvolňování části stresu během syntézy DNA/RNA.
Genový výraz
Specializované proteiny mohou rozbalit malé segmenty molekuly DNA, když jsou replikovány nebo přepsány do RNA . Práce publikovaná v roce 2015 však ilustruje, jak se DNA otevírá sama.
Jednoduše zkroucení DNA může vystavit vnitřní základny navenek, bez pomoci jakýchkoli proteinů. Také samotná transkripce zkřivuje DNA v živých lidských buňkách, utahuje některé části cívky a uvolňuje ji v jiných. Toto napětí spouští změny tvaru, zejména otevírá šroubovici, která má být čtena. Bohužel tyto interakce je velmi obtížné studovat, protože biologické molekuly se tak snadno tvarují. V roce 2008 bylo zjištěno, že transkripce zkroutí DNA a zanechá za sebou stopu podvinuté (nebo negativně nadšroubovicové) DNA. Navíc zjistili, že samotná sekvence DNA ovlivňuje, jak molekula reaguje na superšroubování. Vědci například identifikovali specifickou sekvenci DNA, která reguluje rychlost transkripce; jak množství supercívky stoupá a klesá, zpomaluje nebo zrychluje tempo, kterým molekulární aparát čte DNA. Předpokládá se, že tyto strukturální změny mohou vyvolat stres jinde po celé jeho délce, což by zase mohlo poskytnout spouštěcí body pro replikaci nebo genovou expresi. To znamená, že je to velmi dynamický proces, ve kterém DNA i proteiny ovlivňují to, jak ten druhý jedná a reaguje.
Matematický popis
V přírodě je kruhová DNA vždy izolována jako šroubovice vyššího řádu na helixu, známá jako superhelix . V diskusích na toto téma je Watson – Crickův zvrat označován jako „sekundární“ vinutí a superhelicie jako „terciární“ vinutí. Náčrt vpravo ukazuje „uvolněnou“ nebo „otevřenou kruhovou“ dvoušroubovici Watson – Crick a vedle ní pravotočivou superhelix. „Uvolněná“ struktura vlevo není nalezena, pokud není chromozom přeřezán; superhelix je forma, která se obvykle vyskytuje v přírodě.
Pro účely matematických výpočtů je pravotočivý superhelix definován jako mající „záporný“ počet superhelikálních závitů a levotočivý superhelix je definován jako mající „kladný“ počet superhelikálních závitů. Na výkresu (zobrazeném vpravo) jsou jak sekundární ( tj. „Watson – Crickovo“) vinutí, tak terciární ( tj. „Superhelikální“) vinutí pravotočivé, proto jsou supertwisty záporné (–3 v tomto případě ).
Předpokládá se, že superhelicity je výsledkem podtržení, což znamená, že existuje nedostatek v počtu sekundárních Watson -Crickových zvratů. Takový chromozom bude namáhán, stejně jako se napíná makroskopická kovová pružina, když je buď přetočená, nebo odvinutá. V takto napjaté DNA se objeví supertwisty.
Superšroubovice DNA může být popsána numericky změnami spojovacího čísla Lk . Spojovací číslo je nejpopisnější vlastností superšroubovicové DNA. Lk o , počet otáček v uvolněném (B typu) plazmidu /molekule DNA, je určen vydělením celkových párů bází molekuly uvolněným bp /otáčkou, která v závislosti na referenci je 10,4; 10,5; 10.6.
Lk je počet křížení, které jeden řetězec dělá přes druhé, často vizualizovaný jako počet Watson -Crickových zvratů nalezených v kruhovém chromozomu v (obvykle imaginární) planární projekci. Toto číslo je fyzicky „uzamčeno“ v okamžiku kovalentního uzavření chromozomu a nelze jej změnit bez přetržení vlákna.
Topologie DNA je popsána níže uvedenou rovnicí, ve které je spojovací číslo ekvivalentní součtu Tw , což je počet zákrutů nebo otáček dvojité šroubovice, a Wr , což je počet cívek nebo „svinutí“. " Pokud existuje uzavřená molekula DNA, součet Tw a Wr nebo spojovací číslo se nemění. Může však dojít ke komplementárním změnám v Tw a Wr bez změny jejich součtu:
Tw , nazývaný „zkroucení“, je počet Watsonových -Crickových zákrutů v chromozomu, pokud není nucen ležet v rovině. Už jsme viděli, že nativní DNA je obvykle superhelická. Pokud člověk obejde superhelikálně zkroucený chromozom, počítaje sekundární Watson -Crickovy zákruty, bude se toto číslo lišit od počtu počítaného, když je chromozom nucen ležet naplocho. Obecně se očekává, že počet sekundárních zákrutů v nativním supertwisted chromozomu bude „normální“ Watson-Crickovo číslo vinutí, což znamená jeden šroubovicový twist 10 párů bází na každých 34 Á délky DNA.
Wr , nazývaný „writhe“, je počet superhelikálních zvratů. Vzhledem k tomu, že biologická kruhová DNA je obvykle podtržena, Lk bude obecně menší než Tw , což znamená, že Wr bude typicky negativní.
Pokud dojde k přetočení DNA, bude pod napětím, přesně tak, jak se při silném odvíjení napíná kovová pružina, a že vzhled supertwistů umožní chromozomu uvolnit svůj kmen přijetím negativních supertwistů, které korigují sekundární vinutí v souladu s topologická rovnice výše.
Rovnice topologie ukazuje, že mezi změnami v Tw a Wr existuje vztah jeden k jednomu . Pokud je například odstraněn sekundární twist „Watson – Crick“, pak musel být současně odstraněn pravotočivý supertwist (nebo pokud je chromozom uvolněný, bez supertwistů, pak musí být přidán supertwist pro leváky).
Změna spojovacího čísla, Δ Lk , je skutečný počet závitů v plazmidu/molekule, Lk , mínus počet závitů v uvolněném plazmidu/molekule Lk o :
V případě, že DNA je negativně sbalené, . Negativní superšroubení znamená, že DNA je podvinuta.
Standardní výraz nezávislý na velikosti molekuly je „specifický spojovací rozdíl“ nebo „superhelikální hustota“ označený σ , což představuje počet přidaných nebo odebraných závitů vzhledem k celkovému počtu závitů v uvolněné molekule/plazmidu, což udává úroveň supercoiling.
Gibbsova volná energie spojená s vinutím je dána následující rovnicí
Rozdíl v Gibbsově volné energii mezi superšroubovicovou kruhovou DNA a nenavinutou kruhovou DNA s N > 2000 bp je aproximován vztahem:
nebo 16 cal/bp.
Protože spojovací číslo L superšroubovicové DNA je počet, kolikrát jsou dvě vlákna propletena (a obě vlákna zůstávají kovalentně neporušená), nemůže se L změnit. Referenční stav (nebo parametr) L 0 kruhového duplexu DNA je jeho uvolněný stav. V tomto stavu, jeho svíjet W = 0. Protože L = T + W , v uvolněném stavu T = L . Pokud tedy máme 400 bp uvolněný kruhový duplex DNA, L ~ 40 (za předpokladu ~ 10 bp za otáčku v B-DNA). Pak T ~ 40 .
- Pozitivně supercoiling:
- T = 0, W = 0, pak L = 0
- T = +3, W = 0, pak L = +3
- T = +2, W = +1, pak L = +3
- Negativně supercoiling:
- T = 0, W = 0, pak L = 0
- T = -3, W = 0, poté L = -3
- T = -2, W = -1, poté L = -3
Negativní supercívky upřednostňují místní odvíjení DNA, což umožňuje procesy, jako je transkripce , replikace DNA a rekombinace . Předpokládá se také, že negativní superšroubování podporuje přechod mezi B-DNA a Z-DNA a zmírňuje interakce proteinů vázajících DNA zapojených do genové regulace .
Stochastické modely
Některé stochastické modely byly navrženy tak, aby zohledňovaly účinky pozitivního supercoilového nahromadění (PSB) v dynamice genové exprese (např. V expresi bakteriálních genů), lišící se např. Úrovní detailů. Obecně se detaily zvyšují při přidávání procesů ovlivňovaných a ovlivňujících supercoiling. Jak k tomuto přidání dochází, zvyšuje se složitost modelu.
Například jsou navrženy dva modely různé složitosti. V té nejpodrobnější byly události modelovány na úrovni nukleotidů, zatímco v druhé byly události modelovány pouze v promotorové oblasti, a vyžadovaly tedy vyúčtování mnohem méně událostí.
Příklady stochastických modelů, které se zaměřují na účinky PSB na aktivitu promotora, lze nalézt v:. Obecně takové modely zahrnují promotor, Pro, což je oblast transkripce řídící DNA, a jejíž aktivita/blokování je tedy ovlivněno PSB. Zahrnuty jsou také molekuly RNA (produkt transkripce), RNA polymerázy (RNAP), které řídí transkripci, a gyrázy (G), které regulují PSB. Konečně musí existovat způsob, jak kvantifikovat PSB na DNA (tj. Promotoru) v daném okamžiku. Toho lze dosáhnout tím, že v systému bude nějaká složka, která je produkována v průběhu času (např. Během transkripčních událostí), aby představovala pozitivní supercoily, a která je odstraněna působením gyráz. Množství této složky lze potom nastavit tak, aby ovlivňovalo rychlost transkripce.
Účinky na sedimentační koeficient
Topologické vlastnosti kruhové DNA jsou komplexní. Ve standardních textech jsou tyto vlastnosti vždy vysvětleny pomocí šroubovicového modelu pro DNA, ale v roce 2008 bylo zjištěno, že každý topoizomer, negativní nebo pozitivní, přijímá jedinečnou a překvapivě širokou distribuci trojrozměrných konformací.
Když je ve velkém rozsahu pH zjištěn sedimentační koeficient s kruhové DNA , jsou vidět následující křivky. Jsou zde ukázány tři křivky, které představují tři druhy DNA. Od shora dolů jsou to: „Forma IV“ (zelená), „Forma I“ (modrá) a „Forma II“ (červená).
„Forma I“ (modrá křivka) je tradiční nomenklatura používaná pro nativní formu duplexní kruhové DNA získanou z virů a intracelulárních plazmidů. Forma I je kovalentně uzavřena a jakékoli plektonemické vinutí, které může být přítomné, je proto uzamčeno. Pokud je do formy I zavedeno jedno nebo více zářezů, je možná volná rotace jednoho vlákna vzhledem k druhému a forma II (červená křivka) je viděn.
Forma IV (zelená křivka) je produktem denaturace alkálií formy I. Její struktura je neznámá, kromě toho, že je trvale duplexní a extrémně hustá.
Mezi pH 7 a pH 11,5 je sedimentační koeficient s pro formu I konstantní. Poté klesá a při pH těsně pod 12 dosahuje minima. S dalším zvyšováním pH se s pak vrací na původní hodnotu. Tím to ale nekončí, ale stále se neúnavně zvyšuje. Při pH 13 vzrostla hodnota s téměř na 50, což je dvojnásobek až trojnásobek hodnoty při pH 7, což ukazuje na extrémně kompaktní strukturu.
Pokud je pH potom sníženo, hodnota s se neobnoví. Místo toho člověk vidí horní, zelenou křivku. DNA, nyní ve stavu známém jako forma IV, zůstává extrémně hustá, i když je pH obnoveno do původního fyziologického rozmezí. Jak již bylo uvedeno dříve, struktura formy IV je téměř zcela neznámá a v současné době neexistuje žádné přijatelné vysvětlení její mimořádné hustoty. O terciární struktuře je známo pouze to, že je duplexní, ale mezi bázemi nemá vodíkové vazby.
Toto chování forem I a IV je považováno za důsledek zvláštních vlastností duplexní DNA, která byla kovalentně uzavřena do dvouvláknového kruhu. Pokud je kovalentní celistvost narušena byť jediným zářezem v jednom z řetězců, veškeré takové topologické chování přestane a člověk vidí spodní křivku formy II (Δ). U formy II mají změny pH velmi malý vliv na s . Jeho fyzikální vlastnosti jsou obecně totožné s vlastnostmi lineární DNA. Při pH 13 se vlákna formy II jednoduše oddělí, stejně jako vlákna lineární DNA. Oddělená jednotlivá vlákna mají mírně odlišné hodnoty s , ale nevykazují žádné významné změny v s s dalším zvýšením pH.
Úplné vysvětlení těchto dat přesahuje rámec tohoto článku. Stručně řečeno, změny v s nastaly kvůli změnám superhelicity kruhové DNA. Tyto změny superhelicity jsou schematicky znázorněny čtyřmi malými kresbami, které byly strategicky překryty na obrázku výše.
Stručně řečeno, změny s pozorované na křivce titrace pH výše jsou široce považovány za důsledky změn v superhelickém vinutí DNA za podmínek zvyšujícího se pH. Do hodnoty pH 11,5 údajně „podvinutí“ produkuje pravotočivý („negativní“) supertwist. Ale jak se pH zvyšuje a sekundární šroubovicová struktura začíná denaturovat a odvíjet se, chromozom (můžeme -li mluvit antropomorfně) již „nechce“ mít plné Watsonovo -Crickovo vinutí, ale spíše „chce“ stále více být „podvinutý“. Vzhledem k tomu, že superhelickým vinutím je stále méně napětí, které má být uvolněno, superhelice proto postupně mizí se zvyšováním pH. Při pH těsně pod 12 vypršel veškerý podnět k superhelicity a chromozom se bude jevit jako uvolněný, otevřený kruh.
Při vyšším pH má chromozom, který se nyní vážně denaturuje, tendenci se úplně uvolnit, což nemůže udělat (protože L k je kovalentně uzamčen). Za těchto podmínek se to, co bylo kdysi považováno za „podvratné“, ve skutečnosti nyní stalo „přetáčivým“. Opět je tu napětí a ještě jednou je to (alespoň částečně) ulehčeno superhelicity, ale tentokrát v opačném směru ( tj. Levou rukou nebo „pozitivně“). Každý levoruký terciární supertwist odstraní jeden, nyní nežádoucí pravotočivý sekundární twist Watson – Crick.
Titrace končí při pH 13, kde se objeví forma IV.
Viz také
Reference
Obecné reference
- Bloomfield, Victor A .; Crothers, Donald M .; Tinoco, Jr., Ignacio (2000). Nukleové kyseliny: struktury, vlastnosti a funkce . Sausalito, Kalifornie: Univerzitní vědecké knihy. s. 446–453. ISBN 978-0935702491.