DNA supercoiling

DNA-supercoiling  är ett fenomen av över- eller undervridning av topologiskt slutna DNA- kedjor , som ett resultat av vilket själva DNA-dubbelhelixens axel vrider sig till en spiral av högre ordning. Med "topologiskt slutna" menar vi molekyler vars fria rotation av ändarna är svår (cirkulära DNA-molekyler eller linjära molekyler, vars ändar är fixerade av proteinstrukturer ) [1] . DNA som härrör från supercoiling kallas ibland supercoiled .

Supercoiling är viktigt i en mängd olika biologiska processer, såsom DNA-komprimering till exempel . Vissa enzymer, i synnerhet topoisomeraser , har förmågan att ändra topologin hos DNA, till exempel för DNA-replikation eller transkription [2] . Supercoiling beskrivs med matematiska uttryck som jämför den supercoilade DNA-spiralen med dess "avslappnade" form.

DNA-supercoiling kan vara positiv eller negativ. Positiv supercoiling anses vara en där dubbelspiralens axel vrids i samma riktning som kedjorna inuti dubbelspiralen (medsols). Följaktligen anses supercoiling vara negativ om dubbelspiralens axel vrids moturs [3] . DNA från de flesta mesofila organismer är negativt supercoiled. Samtidigt finns information om den speciella biologiska rollen av positiv DNA-supercoiling i både mesofila och termofila organismer [4] .

Matematisk beskrivning av DNA-supercoiling

I topologiskt slutna DNA-molekyler är två strängar sammanflätade med varandra på ett sådant sätt att det är omöjligt att separera dem utan att skada en av dem. För en kvantitativ beskrivning av kopplingen av två kedjor används en speciell kvantitet - länkningsordningen (Lk). Ingreppsordningen anger antalet gånger en av kedjorna skär det imaginära planet som begränsas av den andra kedjan. Länkningsordningen uttrycks alltid som ett heltal, det kan vara positivt eller negativt. Det är allmänt accepterat att länkordningen för slutna högerhänta spiraler är positiv. Länkningsordningen beror endast på det topologiska tillståndet hos DNA-kedjorna och förblir därför konstant för alla konformationsförändringar i molekylen. Samma DNA-molekyl kan existera i tillstånd med olika länkordningar. Sådana former av DNA kallas topologiska isomerer (topoisomerer) [5] [3] .

Det är möjligt att lindra spänningar från en sluten DNA-molekyl genom att införa en enkelsträngsbrytning i den och sedan ligera denna brytning. Molekylerna som erhålls som ett resultat av ett sådant förfarande kommer att kännetecknas av ett visst intervall av ingreppsordningen. Medelvärdet för detta område kallas Lk o . Lk o kan ungefärligen beräknas med formeln:

,

där N är antalet baspar i molekylen och y är det genomsnittliga antalet baspar per varv av dubbelhelixen under de givna förhållandena. Vanligtvis är värdet på γ nära 10,5 [1] .

Skillnaden mellan Lk och Lk o är viktig :

Värdet på ΔLk, i motsats till Lk, är inte längre nödvändigtvis ett heltal och är inte strikt bundet till molekylens topologi. ΔLk karakteriserar stressen som en sluten DNA-molekyl upplever. Vid ΔLk=0 är DNA i ett avslappnat tillstånd, vid ΔLk<0 är det negativt supercoiled, vid ΔLk>0 är det positivt [5] .

1969 föreslog White en formel som relaterade länkordningen och två andra geometriska egenskaper hos stängt DNA - torsion (Twist, Tw) och antalet superspolar (stigande) (Writhe, Wr):

Vridningen kännetecknar rotationen av DNA-kedjor runt helixens axel och motsvarar det totala antalet varv, för högerhänta helixar anses vridningen vara positiv. Stigande (antalet superspolar) kännetecknar formen på den dubbla helixaxeln, det är den algebraiska summan av alla synliga skärningar av helixaxeln med sig själv, i medeltal över alla projektioner. För DNA-molekyler i ett avslappnat tillstånd, Wr=0, för negativt supercoiled Wr<0, för positivt supercoiled — Wr>0 [5] [6] .

Ett annat sätt att beskriva DNA-supercoiling är att definiera densiteten av supercoil (σ):

Cirkulärt DNA isolerat från levande organismer har vanligtvis en supercoil-densitet som sträcker sig från -0,03 till -0,09 [5] .

Biologisk betydelse av DNA-supercoiling

Supercoiling är en viktig egenskap hos DNA, som bestämmer förloppet av nästan alla DNA-beroende processer i cellen, såsom DNA-replikation , transkription och rekombination . DNA i cellerna hos majoriteten av studerade mesofila organismer är negativt supercoiled [2] . Negativ supercoiling underlättar lokal smältning av dubbelhelixen, vilket möjliggör normal transkription och replikationsinitiering. Omvänt kan positiv supercoiling störa transkriptionsinitiering och avancemang av replikationsgaffeln [7] . Speciella proteiner och enzymer håller DNA i ett tillstånd av negativ supercoiling. I eukaryota celler vrids DNA till negativa superspolar runt histonkomplex , de flesta mesofila arkéer har histonliknande proteiner som utför samma funktion, och i bakterier är nukleoidassocierade proteiner (till exempel HU och HNS) ansvariga för detta [2 ] .

Dessutom finns det speciella enzymer av isomerasklassen som kan förändra det topologiska tillståndet hos DNA. De kallas topoisomeraser eller DNA-topoisomeraser och har hittats i prokaryoter , eukaryoter och vissa virus . Topoisomeraser kan introducera positiva och negativa supercoils i slutet DNA, samt säkerställa dess avslappning. Enligt verkningsmekanismen delas topoisomeraser in i två klasser: typ I topoisomeraser introducerar ett tillfälligt enkelsträngat avbrott i DNA och kräver inga energikällor för sitt arbete, medan typ II topoisomeraser introducerar ett tillfälligt dubbelsträngat brott och är ATP -beroende enzymer [4] . Topoisomeraser spelar en viktig roll i förloppet av DNA-beroende processer i cellen, till exempel är de ansvariga för att ta bort positiva superspolar och lindra spänningar i DNA-regionen framför replikationsgaffeln, vilket säkerställer dess normala rörelse [2] .

År 2012 hade experimentella data ackumulerats som gör att vi kan ta en ny titt på rollen av positiv DNA-supercoiling för levande organismer. Tidigare ansågs positiv supercoiling endast vara karakteristisk för termofilt arkealt DNA, där det förhindrar termisk denaturering av DNA. En växande mängd bevis tyder dock på att positivt och negativt supercoiled DNA-regioner kan samexistera i celler av både termofila och mesofila organismer, och att positiv supercoiling kan spela en speciell roll i regleringen av genuttryck , telomerreplikation och andra processer [2 ] .

Antimikrobiella medel av fluorokinolongruppen hämmar DNA-gyras och topoisomeras-4, vilket stör DNA-supercoiling, vilket leder till bakteriers död [8] [9] .

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 Takashi Ohyama. Kapitel 1. DNA: Alternativa konformationer och biologi // DNA-konformation och transkription. — Georgetown, Texas. : 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. Positiv supercoiling hos termofiler och mesofiler: av det goda och onda   // Biochem . soc. Trans. : journal. - 2011. - Vol. 39 , nr. 1 . - S. 58-63 . — PMID 21265747 .
  3. ↑ 1 2 Benjamin Lewin. Kapitel 15: Rekombination och reparation // Gener VIII . - Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall, 2004. - ISBN 0131439812 .
  4. ↑ 1 2 D. V. Bugreev, G. A. Nevinsky. Struktur och verkningsmekanism av typ IA DNA topoisomeraser  // Framsteg inom biologisk kemi: tidskrift. - 2009. - T. 49 . - S. 129-158 . Arkiverad från originalet den 21 mars 2014.
  5. ↑ 1 2 3 4 Vologodskii AV, Cozzarelli NR Conformational and thermodynamic properties of supercoiled DNA  // Annu Rev Biophys Biomol Struct  :  journal. - 1994. - Vol. 23 . - P. 609-643 . - doi : 10.1146/annurev.bb.23.060194.003141 . — PMID 7919794 .
  6. ↑ Witz G., Stasiak A. DNA-supercoiling och dess roll i DNA-dekatenering och unknotting   // Nucleic Acids Res. : journal. - 2010. - Vol. 38 , nr. 7 . - P. 2119-2133 . doi : 10.1093 / nar/gkp1161 . — PMID 20026582 . Arkiverad från originalet den 5 juni 2020.
  7. ↑ Koster DA, Crut A., Shuman S., Bjornsti MA, Dekker NH Cellulära strategier för att reglera DNA-supercoiling: ett  perspektiv med en enda molekyl  // Cell . - Cell Press , 2010. - Vol. 142 , nr. 4 . - P. 519-530 . - doi : 10.1016/j.cell.2010.08.001 . — PMID 20723754 . Arkiverad från originalet den 24 september 2015.
  8. ↑ Lysenko N. V. Jämförande utvärdering av fluorokinoloner. Plats för nya fluorokinoloner i klinisk praxis . Essentiella läkemedel . Medicus Amicus® . Hämtad 27 februari 2012. Arkiverad från originalet 6 mars 2016.
  9. ↑ Mashkovsky M.D. Medicines. - 15:e upplagan. - M . : New Wave, 2005. - S. 842. - 1200 sid. — ISBN 5-7864-0203-7 .

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk