A Holliday-struktúra [1] ( eng. Holliday junction ) négy nukleinsavláncból álló szerkezet, amelyek hidrogénkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz , és négy kétszálú elágazást alkotnak. Ezek az ágak többféle konformációt is felvehetnek a környező pufferoldat sók koncentrációjától és a csomópont közvetlen közelében elhelyezkedő nukleotidszekvenciától függően. A szerkezet nevét Robin Holliday molekuláris biológusról kapta , aki 1964-ben javasolta a létezését.
Az élő sejtekben a Holliday-struktúrák fontos intermedierek, amelyek a genetikai rekombináció és a kettős száltörések helyreállítása során keletkeznek. Ezek a struktúrák általában szimmetrikus nukleotidszekvenciákkal rendelkeznek, és ezért némi mobilitást mutatnak, vagyis az egyes kétszálú ágak elcsúszhatnak, miközben megtartják a kapcsolat szerkezetét és a nitrogénbázispárosodás mintázatát . Néhány RNS -molekulában a Holliday-hez hasonló négyszálú szerkezetek is megtalálhatók .
A fix Holliday struktúrákat aszimmetrikus szekvenciákkal, amelyek a szerkezetet szigorúan meghatározott pozícióba rögzítik, mesterségesen hozták létre, hogy szerkezetüket a természetes Holliday struktúrák modelljeként tanulmányozzák. Később az ilyen szerkezetek a DNS-nanotechnológia alapvető építőköveiként kerültek felhasználásra : több Holliday-féle szerkezet egyetlen, meghatározott geometriájú szerkezetté állítható össze, így nagy fokú szerkezeti merevségű molekulákat képezve.
A Holliday-struktúrák különböző konformációs izomerekként ( ) létezhetnek, amelyek a négy kétszálú ág közötti koaxiális halmozás módjában különböznek . A koaxiális halmozás a nukleinsavszerkezetek tompa végeinek hajlamát jelenti arra, hogy a szabaddá tett nitrogénbázisok megkötésével egymáshoz kötődjenek. Három különböző halmozási konformer létezik : egy koaxiális halmozás nélküli forma és két forma koaxiális halmozással. A nem halmozott forma dominál kétértékű fémkationok , például Mg 2+ hiányában , a negatív töltésű láncgerincek elektrosztatikus taszítása miatt. Legalább 0,1 mM Mg 2+ jelenlétében az elektrosztatikus taszítás semlegesül, és a halmozott struktúrák dominálnak [2] .
A halmozás nélküli formák majdnem lapos négyzet alakúak. A halmozott konformerek két kétszálú tartományból állnak, amelyek a jobbkéz szabály szerint 60°-os szögben vannak elrendezve . A négy lánc közül kettő (minden doménből egy) megtartja a spirális szerkezetet, míg a másik kettő antiparallel módon halad át egyik doménből a másikba 2] .
A két lehetséges halmozott konformer abban különbözik, hogy melyik szálban történik a halmozás. Az egyik forma túlsúlyát nagymértékben meghatározza a csomópont közelében lévő specifikus nukleotidszekvencia. Ezen szekvenciák egy része olyan, hogy a két konformer egyensúlyban van egymással, míg más szekvenciák határozzák meg az egyik konformer kifejezett túlsúlyát. Így a Holliday-vegyületekben, amelyekben az A-CC szekvencia négy lánc találkozásánál található, az a konformer dominál, amely lehetővé teszi a hidrogénkötések kialakulását a második citozin és az egyik foszfát között [2] .
A szimmetrikus sorozatú Holliday csomópontokban a négy lánc kapcsolódási pontja (elágazási pont) a véletlenszerű sétamodell mentén mozoghat . Az elágazási pont mozgási sebessége az ionok koncentrációjától függően jelentősen változik : ha ionok hiányában egy elmozdulás időtartama 0,3-0,4 ms, akkor 10 mM Mg 2+ jelenlétében 270- 300 ms. A sebesség változása a halmozás nélküli szerkezetek helyett egymásra rakott szerkezetek kialakulásához kapcsolódik [2] .
Ha a Holliday-elágazásban egyszálú törés következik be, akkor a csatlakozási pont merőleges tájolást vesz fel, és halmozott alak alakul ki (lásd az ábrát) [2] .
Az RNS-ből származó Holliday-vegyületek anti-párhuzamos halmozódású konformációt vesznek fel magas magnéziumkoncentrációknál, merőleges halmozott konformációt közepes koncentrációknál, és párhuzamos halmozási konformációt alacsony koncentrációknál; azonban még alacsony kalciumkoncentráció mellett is antiparallel szerkezetet vesznek fel [2] .
A Holliday junction egy kulcsfontosságú intermedier a homológ rekombináció során, valamint a helyspecifikus rekombináció során , amelyben integrázok vesznek részt . Ezenkívül a kétszálú törések javítása során keletkezik. Végül kereszt alakú struktúrák, köztük Holliday csomópontok alakíthatók ki, hogy csökkentsék a DNS szupertekercsekben lévő szimmetrikus szekvenciák helikális feszültségét [3] . A nem kódoló RNS-ekben található négyszálú struktúrák , mint például az U1 spliceoszomális RNS és a dohánygyűrűfolt-vírus hajtű ribozim , általában párosítatlan nukleotidokat tartalmaznak a kettős szálú régiók között, és ezért szigorúan véve nem Holliday csomópontok [2] .
A homológ rekombináció során Holliday csomópontok képződnek azonos vagy közel azonos szekvenciák között, ami a központi elágazási pont körül szimmetrikusan elhelyezkedő szálakat eredményez. Ez lehetővé teszi az elágazási folyamat végbemenetelét , amelyben láncok mozognak a csomóponton [2] . A Holliday-struktúra kivágása vagy rezolválása kétféleképpen történhet, amelyek közül az egyik keresztezéshez vezet , amelyben két rekombináns szál képződik, a másik pedig génkonverziót , amelynek eredményeként csak egy rekombináns szál képződik [ 4] .
Sok fehérje képes felismerni és eltorzítani a Holliday csomópont szerkezetét. Ilyenek például azok az enzimek, amelyek néha szekvenciafüggő módon képesek lebontani a Holliday-vegyületeket Ezek a fehérjék különböző módokon megzavarják a Holliday junction szerkezetét, gyakran nem halmozódó konformációvá alakítják át a Holliday junctiont, megbontják a központi bázispárokat és/vagy megváltoztatják a négy szál közötti szögeket. Más fehérjék, amelyek felismerik a Holliday junctiont, az elágazási pont fehérjék, amelyek egy nagyságrenddel növelik a rekombinációs sebességet, valamint a helyspecifikus rekombinázok [2] . A prokariótákban a Holliday-vegyületeket (rezolvázokat) felbontó enzimek két családra oszthatók - integrázokra és nukleázokra . Ezek a fehérjék szerkezetileg hasonlóak a szekvencia- konzervativizmus hiánya ellenére [4] .
Az eukariótákban a homológ rekombináció révén történő kettős száltörés javítása két különböző módon történhet: a kettős száltörés javítása (DSBR), amelyet gyakran Holliday-féle kettős junction modellnek is neveznek, és a szintézisfüggő lánctovábbítás (SDSA) [5] . A kettős szál megszakításával az egyik lánc 3' vége megsemmisül, a hosszabb 5' vége pedig megközelíti a másik kromoszóma egyik testvérkromatidját , és hozzá kötődik; az eredmény egy replikációs buborék. Amikor a "buborék" megközelíti a DNS -szakadást , az antiszensz szál hosszabb 5'-vége újra kötődik az értelmes szálhoz. Ezután a hiányzó DNS-szegmenseket egy másik homológ kromoszómából származó testvérkromatid segítségével szintetizálják templátként. Amikor a hézagkitöltés végén a testvérkromatidák szétválasztott végei egyesülnek, két Holliday-struktúra képződik, amelyeket aztán különféle fehérjék segítségével feloldanak [6] .
Baktériumokban a kettős szálú DNS-töréseket a RecBCD fehérje javítja ki homológ rekombináció mechanizmusával. Az egyszálú törések kijavítása a RecF útvonalként ismert homológ rekombinációs változatban történik . Ez a két útvonal (RecBCD és RecF) olyan folyamatokat foglal magában, mint például az elágazás migrációja, amelyben az egyszálú DNS-fragmensek kicserélődnek két keresztezett DNS-molekula között, és a rezolválás, amelyben a keresztezett DNS-molekulák elválik egymástól, és visszatérnek normál kettős- elakadt állapot [7] . A baktériumokban az ágak migrációját a RuvABC komplex és a RecG fehérje, fehérje molekuláris motorok segítik elő, amelyek az ATP hidrolízis energiáját használják fel a vegyület mozgatására. Ezt követően a Holliday-csatlakozásnak két különálló DNS-duplexré kell feloldódnia, visszaadva az eredeti vagy rekombinált állapotot. A RuvA és RuvB fehérjék a láncvándorlásban vesznek részt, míg a RuvC feloldja a Holliday junctiont [8] [2] .
A homológ rekombinációt a vírusok több csoportjában leírták . A DNS-tartalmú vírusokban (például herpeszvírusokban ) a rekombináció az újraegyesítés útján megy végbe, hasonlóan ahhoz, ahogyan a baktériumokban és eukariótákban történik [9] . Bizonyíték van az RNS-vírusok rekombinációjára , különösen azokban, amelyek pozitív egyszálú RNS-t [ tartalmaznak, mint például a retrovírusok , koronavírusok és pikornavírusok ; a negatív RNS-t tartalmazó vírusok (például az influenzavírus ) helyzete ellentmondásosabb [10] .
A Saccharomyces cerevisiae élesztőben a Holliday-struktúrák felbontása négy különböző módon történhet [11] . Az élesztőben és esetleg emlősökben leggyakrabban keresztezéshez vezető útvonal az EXO1 fehérjéket , az MLH1 -MLH3 heterodimert (MutL gamma néven ismert) és az SGS1 ( a Bloom-szindróma ortológja ) tartalmazza. fehérje ) [11] . Az MLH1-MLH3 túlnyomórészt Holliday-vegyületekhez kötődik [12] . Ez egy endonukleáz , amely egyszálú töréseket visz be a szuperspirált kétszálú DNS-be, és elősegíti a keresztezést [12] [13] . Míg három másik, a MUS81 -MMS4, SIX1 és YEN1 jelű útvonal hozzájárulhat a Holliday junctions in vivo feloldásához , e három nukleáz hiánya csak kismértékben csökkenti a keresztezési sebességet. Az MLH3 és MMS4 egyaránt hiányzó kettős mutánsok a vad típushoz képest szignifikáns csökkenést mutattak a keresztezés gyakoriságában ; a kromoszómák szétválása azonban a legtöbb esetben hibamentesen ment végbe, és az élesztőspórák életképessége meglehetősen magas volt (62%) [14] [14] .
Bár a MUS81 fehérje a bimbózó élesztőgombák, növények és gerincesek meiózisa során a kisebb átkelőút komponense , részt vesz egy szükséges, de nem domináns átkelőútban a Tetrahymena thermophila csillósban . A Schizosaccharomyces pombe hasadó élesztőben a MUS81 útvonal a domináns keresztezési mechanizmus [15] .
Az MSH4 és MSH5 fehérjék heterodimert alkotnak emberben és élesztőben [16] [17] [18] . Élesztőben elősegíti a homológ kromoszómák közötti átjutást a meiózis során [16] . Az MSH4 / MSH5 komplex megköti és stabilizálja a kettős Holliday csomópontokat, megkönnyítve azok rekombináns láncok kialakítását. A részben működőképes MSH4-gyel rendelkező S. cerevisiae mutánsokban a genomonkénti keresztezések száma 30%-kal csökken, és sok esetben a meiózist nem kíséri rekombináció. Ennek a mutánsnak a spórái azonban életképesek, így a homológ kromoszómák szétválása helyesen történik. Így S. cerevisiae -ben a kromoszóma szegregáció a meiózis során nem teljesen függ a keresztezéstől [19] .
A DNS nanotechnológia olyan mesterséges nukleinsavak fejlesztésével és előállításával foglalkozik, amelyek nem hordoznak genetikai információt , mint az élő sejtekben, hanem a nanotechnológia anyagaként működnek . A DNS elágazó struktúráit elemi egységként használják bonyolultabb megtervezett struktúrák létrehozására. Ezen DNS-struktúrák közül sok Holliday-vegyületeket tartalmaz. Az egyszeres Holliday-kötések túl rugalmasak ahhoz, hogy hosszú sorba rakhatók legyenek, ezért a több Holliday-kötést tartalmazó szerkezeti motívumok [20] [21] merev egységekként használatosak nagy egységek összeszereléséhez .
Ezek közül a motívumok közül a leggyakrabban használt kettős keresztezési (DX) komplexum, amely két egymáshoz közel elhelyezett Holliday-elágazást tartalmaz, ami merev szerkezetet eredményez, amely magasabb rendű sorokká képes önállóan összeállni. A DX-molekulában a Holliday-vegyületek úgy vannak orientálva, hogy kétszálú régióik egymás mellett helyezkednek el, nem pedig az előnyösebb 60°-os szögben. A komplexum úgy is kialakítható, hogy a kapcsolatok párhuzamos vagy anti-párhuzamos orientációban helyezkedjenek el, azonban a gyakorlatban az anti-párhuzamos orientáció kényelmesebb, a párhuzamosságot ritkán alkalmazzák [20] [21] .
A DX szerkezeti motívum egy elemi építőelem a DNS origami módszerben , amelyet nagyobb szabad formájú 2D és 3D struktúrák létrehozására használnak. A hosszú meghosszabbított "szalagok" összeállítása nem egyedi DX-egységekből, hanem kettős szálú DNS-szálakból történik; ezeket a szálakat a megfelelő formára hajtogatják segédláncok, amelyek Holliday csomópontokat képeznek, mint a keresztezésben részt vevő láncok [23] .
A DNS nanotechnológiában használt építőelemek egy része megőrzi a Holliday-vegyületek 60°-os szögét. Például az ilyen egységekben 4 Holliday-elágazás alkothat paralelogrammát . Ez a szerkezet érdekes abból a szempontból, hogy lehetővé teszi az ízület szögének közvetlen megjelenítését atomerőmikroszkóppal . Három Holliday-vegyületből álló, háromszögben összeállított blokkokat használtak háromdimenziós periodikus struktúrák létrehozására, amelyeket biomolekulák röntgendiffrakciós elemzésében használnak [20] [21] .
1964-ben az angol tudós, Robin Holliday (1932–2014) javasolta a ma nevét viselő vegyület szerkezetét az Ustilago maydis és a Saccharomyces cerevisiae gombák tanulmányozásából kifejlesztett homológ rekombinációs modelljének részeként. . Ez a modell a keresztezés és a génkonverzió molekuláris mechanizmusait vette figyelembe. Holliday rájött, hogy a DNS-en való keresztezés során néhány párosítatlan bázisú heteroduplexek képződnek, mivel egy gén variánsai ( alléljai ) között kis különbségek vannak . Azt javasolta, hogy a sejtnek rendelkeznie kell egy olyan mechanizmussal, amely korrigálja a párosítatlan bázisokat, és egy ilyen mechanizmust valóban felfedeztek [4] . Holliday modellje előtt a szelektív másolás modellje dominált, amely szerint a különböző szülőszálak részeiből közvetlenül szintetizáltak új szálat [24] [25] .
Holliday eredeti modelljében a heteroduplex DNS mindkét homológ kromoszómán kialakult, de az élesztőből származó kísérleti adatok ezt cáfolták. 1975-ben Matthew Meselson és Charlie Redding frissítette a modellt, és bevezette a lánc migráció ötletét [24] . A további megfigyelések az 1980-as években olyan alternatív rekombinációs modellek kifejlesztéséhez vezettek, mint a kettős szálszakadási modell és a szálnyújtási modell. A harmadik modell, a szintézisfüggő láncrektifikáció modellje nem feltételezte Holliday-vegyületek képződését [4] .
A Holliday-vegyületek létezésére vonatkozó első kísérleti bizonyítékot az 1970-es évek végén szerezték meg elektronmikroszkóppal , ahol a plazmidokból és bakteriofágokból származó DNS-felvételeken jól láthatóak voltak a négyszálú struktúrák . Az 1980-as években olyan enzimeket azonosítottak , amelyek felelősek a Holliday-vegyületek képződésének megindításáért és a hozzájuk való kötődésért. 1983-ban Nadrian Seaman először kapott mesterséges Holliday-struktúrákat szintetikus oligonukleotidokból , ami lehetőséget nyitott a Holliday-struktúrák tulajdonságainak részletesebb tanulmányozására. Holliday számos korai vegyületvizsgálata olyan módszereken alapult, mint az elektroforézis , FRET és mások. Az 1990-es években elérhetővé váltak a nukleinsavak krisztallográfiája és NMR-je , valamint a molekuláris modellezés számítógépes módszerei [2] [4] [26] .
Kezdetben a genetikusok azt feltételezték, hogy a Holliday-elágazást inkább párhuzamos, semmint antiparallel konformáció jellemzi , mivel ebben az esetben a homológ duplexek a legközelebb helyezkednek el egymáshoz. Az 1980-as években végzett kémiai elemzések kimutatták, hogy az antiparallel konformáció dominált; ezek az adatok annyira ellentmondásosnak tűntek, hogy először maga Robin Holliday is elutasította őket [2] . Ezt követően az anti-párhuzamos konformáció fogalma nagyobb elfogadottságra tett szert az in vitro röntgensugaras molekuláris elemzési adatok révén . In vivo körülmények között a helyzet kevésbé egyértelmű, mivel a Holliday-vegyületekhez kötődő fehérjék megváltoztathatják konformációjukat [4] .
A Holliday-vegyületek DNS-nanotechnológiában való alkalmazásának elvi alapjait Seaman fektette le az 1980-as évek elején. 1982-1983-ban a Holliday-féle rögzített kapcsolatokat fejlesztették és hozták létre [27] .
![]() |
---|