DNS szuperspirálozás

A DNS szuperspirál  a topológiailag zárt DNS -láncok túl- vagy alulcsavarásának jelensége , melynek eredményeként maga a DNS kettős hélix tengelye is magasabb rendű spirálba csavarodik. "Topológiailag zárt" alatt olyan molekulákat értünk, amelyek végeinek szabad forgása nehézkes (kör alakú DNS-molekulák vagy lineáris molekulák, amelyek végeit fehérjeszerkezetek rögzítik ) [1] . A szupertekercselésből származó DNS-t néha szupertekervénynek is nevezik .

A szupertekercselés számos biológiai folyamatban fontos, mint például a DNS tömörítésben . Bizonyos enzimek, különösen a topoizomerázok , képesek megváltoztatni a DNS topológiáját, például a DNS replikációja vagy transzkripciója szempontjából [2] . A szupertekercselést matematikai kifejezésekkel írják le, amelyek összehasonlítják a szupertekervényes DNS-hélixet „lazított” formájával.

A DNS szuperspirálozása lehet pozitív vagy negatív. Pozitív szupertekercselésnek azt tekintjük, amikor a kettős spirál tengelye a kettős spirál belsejében lévő láncokkal megegyező irányban csavarodik (az óramutató járásával megegyező irányba). Ennek megfelelően a szupertekercselés akkor tekinthető negatívnak, ha a kettős spirál tengelye az óramutató járásával ellentétes irányban csavarodik [3] . A legtöbb mezofil organizmus DNS-e negatívan szupertekeredett. Ugyanakkor vannak információk a pozitív DNS szuperspirálozás speciális biológiai szerepéről mind mezofil, mind termofil szervezetekben [4] .

A DNS szuperspirálozásának matematikai leírása

A topológiailag zárt DNS-molekulákban két szál úgy fonódik össze egymással, hogy lehetetlen szétválasztani őket anélkül, hogy az egyiket ne károsítanák. Két lánc összekapcsolásának mennyiségi leírásához egy speciális mennyiséget használnak - az összekapcsolás sorrendjét (Lk). A kapcsolódási sorrend azt jelzi, hogy az egyik lánc hányszor metszi a második lánc által határolt képzeletbeli síkot. A kapcsolódási sorrendet mindig egész számként fejezzük ki, lehet pozitív vagy negatív. Általánosan elfogadott, hogy a zárt jobbkezes spirálok összekapcsolási sorrendje pozitív. A kapcsolódási sorrend csak a DNS-láncok topológiai állapotától függ, ezért állandó marad a molekulában végbemenő konformációs változások esetén. Ugyanaz a DNS-molekula létezhet különböző kapcsolódási sorrendű állapotokban. A DNS ilyen formáit topológiai izomereknek (topoizomereknek) nevezik [5] [3] .

Lehetőség van egy zárt DNS-molekula feszültségének enyhítésére, ha egyszálú törést vezetünk be, majd ezt a törést ligálják . Az ilyen eljárás eredményeként kapott molekulákat a kapcsolódási sorrend egy bizonyos tartománya jellemzi. Ennek a tartománynak az átlagos értékét Lk o -nak nevezzük . Lk o megközelítőleg a következő képlettel számítható ki:

,

ahol N a molekulában lévő bázispárok száma, γ pedig a kettős hélix fordulatánkénti átlagos bázispárok száma adott körülmények között. Általában γ értéke közel 10,5 [1] .

Lk és Lk o közötti különbség fontos :

A ΔLk értéke Lk-val ellentétben már nem feltétlenül egész szám, és nincs szigorúan a molekula topológiájához kötve. A ΔLk a zárt DNS-molekula által átélt stresszt jellemzi. ΔLk=0-nál a DNS relaxált állapotban van, ΔLk<0-nál negatívan szuperspirált, ΔLk>0-nál pozitív [5] .

1969 -ben White egy olyan képletet javasolt, amely a zárt DNS kapcsolódási sorrendjét és két másik geometriai jellemzőjét – a torziót (Twist, Tw) és a szupertekercsek számát (felszálló) (Writhe, Wr) – összefüggésbe hozza:

A csavar a DNS-láncok spirál tengelye körüli forgását jellemzi, és megfelel az összes fordulatszámnak, jobbkezes hélixeknél a csavarás pozitívnak tekinthető. Az emelkedés (a szupertekercsek száma) a kettős spirál tengelyének alakját jellemzi, ez a spiráltengely és önmagával látható összes metszéspontjának algebrai összege, az összes vetületre átlagolva. Relaxált állapotban lévő DNS-molekulák esetén Wr=0, negatívan szupertekercselt Wr<0 esetén, pozitívan szupertekercses esetén Wr>0 [5] [6] .

A DNS szuperspirálozás leírásának másik módja a szupertekercsek sűrűségének (σ) meghatározása:

Az élő szervezetekből izolált cirkuláris DNS szupertekercs sűrűsége általában –0,03 és –0,09 között van [5] .

A DNS szuperspirálozásának biológiai jelentősége

A szuperspirálozás a DNS egyik fontos tulajdonsága, amely szinte az összes DNS-függő folyamat lefolyását meghatározza a sejtben, mint például a DNS-replikáció , transzkripció és rekombináció . A legtöbb vizsgált mezofil organizmus sejtjeiben a DNS negatívan szuperspirált [2] . A negatív szuperspirálozás elősegíti a kettős hélix lokális megolvadását, ami lehetővé teszi a normál transzkripciót és replikáció iniciációt. Ezzel szemben a pozitív szupertekercselés zavarhatja a transzkripció iniciációját és a replikációs villa előrehaladását [7] . Speciális fehérjék és enzimek tartják a DNS-t negatív szuperspirál állapotában. Az eukarióta sejtekben a DNS negatív szupertekercsekbe csavarodik a hisztonkomplexek körül , a legtöbb mezofil archaeában hisztonszerű fehérjék találhatók, amelyek ugyanazt a funkciót látják el, és a baktériumokban a nukleoidokhoz kapcsolódó fehérjék (például HU és HNS) felelősek ezért [2] ] .

Ezenkívül az izomeráz osztályba tartozó speciális enzimek is képesek megváltoztatni a DNS topológiai állapotát. Ezeket topoizomerázoknak vagy DNS topoizomerázoknak nevezik, és prokariótákban , eukariótákban és néhány vírusban is megtalálhatók . A topoizomerázok pozitív és negatív szupertekercseket vezethetnek be a zárt DNS-be, valamint biztosítják annak relaxációját. A hatásmechanizmus szerint a topoizomerázok két csoportba sorolhatók: az I-es típusú topoizomerázok átmeneti egyszálú törést okoznak a DNS-ben, és nem igényelnek energiaforrást a munkájukhoz, míg a II-es típusú topoizomerázok átmeneti kétszálú törést okoznak, és ATP -k. -függő enzimek [4] . A topoizomerázok fontos szerepet játszanak a sejtben zajló DNS-függő folyamatok lefolyásában, például felelősek a pozitív szupertekercsek eltávolításáért és a replikációs villa előtti DNS-régió feszültségének oldásáért, ami biztosítja annak normális mozgását [2] .

2012 - re felhalmozódtak a kísérleti adatok, amelyek lehetővé teszik, hogy új pillantást vethessünk a pozitív DNS szupertekercselés szerepére az élő szervezetekben. Korábban azt gondolták, hogy a pozitív szupertekercselés csak a termofil régészeti DNS-re jellemző, ahol megakadályozza a DNS termikus denaturálódását. Azonban egyre több bizonyíték utal arra, hogy a pozitívan és negatívan szuperspirált DNS-régiók együtt létezhetnek termofil és mezofil szervezetek sejtjeiben, és hogy a pozitív szuperspirálozás különleges szerepet játszhat a génexpresszió , a telomer replikáció és más folyamatok szabályozásában [2]. ] .

A fluorokinolon csoportba tartozó antimikrobiális szerek gátolják a DNS girázt és a topoizomeráz-4-et, megzavarják a DNS szuperspirálozását, ami a baktériumok elpusztulásához vezet [8] [9] .

Jegyzetek

  1. ↑ 1 2 Takashi Ohyama. 1. fejezet DNS: Alternatív konformációk és biológia // DNS-konformáció és transzkripció. – Georgetown, Tex. : Landes Bioscience; New York, NY : Springer Science Business Media, 2005. - ISBN 0387255796 .
  2. ↑ 1 2 3 4 5 Valenti A., Perugino G., Rossi M., Ciaramella M. Positive supercoiling in thermophiles and mesophiles: of the good and evil   // Biochem . szoc. Trans. : folyóirat. - 2011. - 20. évf. 39 , sz. 1 . - P. 58-63 . — PMID 21265747 .
  3. ↑ 1 2 Benjamin Lewin. 15. fejezet: Rekombináció és javítás // Genes VIII . - Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall, 2004. - ISBN 0131439812 .
  4. ↑ 1 2 D. V. Bugreev, G. A. Nyevinszkij. Az IA típusú DNS-topoizomerázok szerkezete és hatásmechanizmusa  // Advances in Biological Chemistry: Journal. - 2009. - T. 49 . - S. 129-158 . Az eredetiből archiválva : 2014. március 21.
  5. ↑ 1 2 3 4 Vologodskii AV, Cozzarelli NR A szuperspirált DNS konformációs és termodinamikai tulajdonságai  // Annu Rev Biophys Biomol Struct  :  Journal. - 1994. - 1. évf. 23 . - P. 609-643 . - doi : 10.1146/annurev.bb.23.060194.003141 . — PMID 7919794 .
  6. ↑ Witz G., Stasiak A. A DNS szuperspirálozása és szerepe a DNS dekatenációjában és a csomópontok eltávolításában   // Nucleic Acids Res. : folyóirat. - 2010. - 20. évf. 38 , sz. 7 . - P. 2119-2133 . doi : 10.1093 / nar/gkp1161 . — PMID 20026582 . Az eredetiből archiválva: 2020. június 5.
  7. ↑ Koster DA, Crut A., Shuman S., Bjornsti MA, Dekker NH Cellular strategies for regulating DNS supercoiling: a single-molecule  perspektíva  // ​​Cell . - Cell Press , 2010. - Vol. 142. sz . 4 . - P. 519-530 . - doi : 10.1016/j.cell.2010.08.001 . — PMID 20723754 . Az eredetiből archiválva : 2015. szeptember 24.
  8. ↑ Lysenko N. V. A fluorokinolonok összehasonlító értékelése. Az új fluorokinolonok helye a klinikai gyakorlatban . Nélkülözhetetlen gyógyszerek . Medicus Amicus® . Letöltve: 2012. február 27. Az eredetiből archiválva : 2016. március 6..
  9. ↑ Mashkovsky M.D. Gyógyszerek. - 15. kiadás - M . : New Wave, 2005. - S. 842. - 1200 p. — ISBN 5-7864-0203-7 .

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák