Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пирофосфатная группа, уходящая в реакции конденсации, образует рибозофосфатный полимер. Конденсация аденина и гуанина с образованием фосфодиэфирной связи, которая составляет основу основной цепи нуклеиновой кислоты.

Конденсация ДНК относится к процессу уплотнения молекул ДНК in vitro или in vivo . [1] Механические детали упаковки ДНК важны для ее функционирования в процессе регуляции генов в живых системах. Конденсированная ДНК часто обладает удивительными свойствами, которые невозможно предсказать, исходя из классических представлений о разбавленных растворах. Таким образом, конденсация ДНК in vitro служит модельной системой для многих процессов в физике , биохимии и биологии . [2] Кроме того, у конденсации ДНК есть много потенциальных применений в медицине.и биотехнологии . [1]

Диаметр ДНК составляет около 2 нм, а длина растянутой одиночной молекулы может достигать нескольких десятков сантиметров в зависимости от организма. Многие особенности двойной спирали ДНК способствуют ее большой жесткости, включая механические свойства сахарно-фосфатной основы, электростатическое отталкивание между фосфатами (ДНК несет в среднем один элементарный отрицательный заряд на каждые 0,17 нм двойной спирали.), взаимодействия стэка между основаниями каждой отдельной нити и взаимодействия нить-нить. ДНК - один из самых жестких природных полимеров, но также и одна из самых длинных молекул. Это означает, что на больших расстояниях ДНК можно рассматривать как гибкую веревку, а в коротком масштабе - как жесткий стержень. Подобно садовому шлангу, распакованная ДНК случайным образом занимает гораздо больший объем, чем когда она упорядочена. Математически, для невзаимодействующей гибкой цепи, случайным образом распространяющейся в трехмерном пространстве, расстояние от конца до конца будет масштабироваться как квадратный корень из длины полимера. Для реальных полимеров, таких как ДНК, это дает лишь очень приблизительную оценку; что важно, так это то, что пространство, доступное для ДНК in vivoнамного меньше, чем пространство, которое он занимал бы в случае свободной диффузии в растворе. Чтобы справиться с ограничениями по объему, ДНК может упаковать себя в подходящих условиях раствора с помощью ионов и других молекул. Обычно конденсация ДНК определяется как «коллапс протяженных цепей ДНК в компактные упорядоченные частицы, содержащие только одну или несколько молекул». [3] Это определение применяется ко многим ситуациям in vitro, а также близко к определению конденсации ДНК у бактерий как «принятие относительно концентрированного, компактного состояния, занимающего часть доступного объема». [4] У эукариот размер ДНК и количество других участников намного больше, и молекула ДНК образует миллионы упорядоченныхнуклеопротеиновые частицы, нуклеосомы , которые являются лишь первым из многих уровней упаковки ДНК. [1]

В жизни [ править ]

В вирусах [ править ]

У вирусов и бактериофагов ДНК или РНК окружены белковым капсидом , иногда дополнительно покрытым липидной мембраной . Двухцепочечная ДНК хранится внутри капсида в виде катушки, которая может иметь разные типы спиралей, что приводит к различным типам жидкокристаллической упаковки. Эта упаковка может меняться от гексагональной до холестерической или изотропной на разных стадиях функционирования фага. Хотя двойные спирали всегда локально выровнены, ДНК внутри вирусов не представляет собой настоящих жидких кристаллов , потому что ей не хватает текучести. С другой стороны, конденсированная ДНКin vitro , например, с помощью полиаминов, также присутствующих в вирусах, является как локально упорядоченным, так и жидким. [1]

У бактерий [ править ]

Основные единицы геномной организации бактерий и эукариот.
Основная статья: Nucleoid § Конденсация и организация

Бактериальная ДНК упакована с помощью полиаминов и белков, называемых нуклеоид-ассоциированными белками . ДНК, ассоциированная с белками, занимает около 1/4 внутриклеточного объема, образуя концентрированную вязкую фазу с жидкокристаллическими свойствами, называемую нуклеоидом. Подобная упаковка ДНК существует также в хлоропластах и митохондриях . Бактериальную ДНК иногда называют бактериальной хромосомой . Эволюционный бактериальный нуклеоид представляет собой промежуточное инженерное решение между упаковкой ДНК, не содержащей белков, у вирусов и упаковкой, определяемой белками, у эукариот. [1]

Сестринские хромосомы у бактерии Escherichia coli индуцируются стрессовыми условиями, чтобы конденсироваться и подвергаться спариванию. [5] Конденсация, вызванная стрессом, происходит из-за неслучайного сближения сестринских хромосом, похожего на застежку-молнию. Эта конвергенция, по-видимому, зависит от способности идентичных двухцепочечных молекул ДНК специфически идентифицировать друг друга, и этот процесс завершается близостью гомологичных сайтов вдоль парных хромосом. Различные стрессовые условия, по-видимому, заставляют бактерии эффективно справляться с серьезными повреждениями ДНК.такие как двухниточные разрывы. Сопоставление гомологичных сайтов, связанных со стресс-индуцированной конденсацией хромосом, помогает объяснить, как происходит восстановление двухцепочечных разрывов и других повреждений. [5]

У эукариот [ править ]

Различные уровни конденсации ДНК у эукариот. (1) Одиночная цепь ДНК. (2) Нить хроматина (ДНК с гистонами). (3) Хроматин в интерфазе с центромерой . (4) Две копии конденсированного хроматина вместе во время профазы . (5) Хромосома в метафазе .
Основная статья: хроматин

Эукариотическая ДНК с типичной длиной в десятки сантиметров должна быть упорядочена, чтобы быть легко доступной внутри ядра микрометрового размера. У большинства эукариот ДНК располагается в ядре клетки с помощью гистонов. В этом случае основным уровнем уплотнения ДНК является нуклеосома, где двойная спираль оборачивается вокруг октамера гистона, содержащего две копии каждого гистона H2A , H2B , H3 и H4 . Линкерный гистон H1 связывает ДНК между нуклеосомами и облегчает упаковку нуклеосомной цепи «бусинок на нити» размером 10 нм в более плотное волокно длиной 30 нм. В большинстве случаев между делениями клеток хроматиноптимизирован для обеспечения легкого доступа факторов транскрипции к активным генам , которые характеризуются менее компактной структурой, называемой эухроматином , и для облегчения доступа к белкам в более плотно упакованных областях, называемых гетерохроматином . Во время деления клетки уплотнение хроматина еще больше усиливается с образованием хромосом , которые могут справляться с большими механическими силами, втягивая их в каждую из двух дочерних клеток. [1] Многие аспекты транскрипции контролируются химической модификацией гистоновых белков, известной как гистоновый код .

Хромосомный каркас играет важную роль в удержании хроматина в компактной хромосоме. Хромосомный каркас состоит из белков, включая конденсин , топоизомеразу IIα и член 4 семейства кинезинов (KIF4) [6]

Динофлагеллаты - очень разные эукариоты с точки зрения того, как они упаковывают свою ДНК. Их хромосомы упакованы в жидкокристаллическом состоянии. [7] Они потеряли многие консервативные гистоновые гены, вместо этого для упаковки использовали в основном динофлагеллатные вирусные нуклеопротеины (DVNP) или бактериальные гистоноподобные белки динофлагеллят (HLP). Неизвестно, как они контролируют доступ к генам; те, которые сохраняют гистон, имеют специальный гистоновый код . [8] [9]

В архее [ править ]

В зависимости от организма археи могут использовать для упаковки бактериоподобную систему HU или систему нуклеосом, подобную эукариотам. [10]

In vitro [ править ]

Конденсация ДНК может быть вызвана in vitro либо путем приложения внешней силы для сближения двойных спиралей, либо путем индуцирования притягивающих взаимодействий между сегментами ДНК. Первое может быть достигнуто, например, с помощью осмотического давления, оказываемого вытеснением нейтральных полимеров в присутствии одновалентных солей. В этом случае силы, толкающие двойные спирали вместе, возникают из-за энтропийных случайных столкновений с плотными полимерами, окружающими конденсаты ДНК, и для нейтрализации зарядов ДНК и уменьшения отталкивания ДНК-ДНК требуется соль. Вторая возможность может быть реализована путем индуцирования притягивающих взаимодействий между сегментами ДНК за счет многовалентных катионных заряженных лигандов (многовалентных ионов металлов , неорганических катионов , полиаминов, протамины , пептиды , липиды , липосомы и белки ). [1]

Физика [ править ]

Конденсация длинных двухспиральных ДНК - это резкий фазовый переход , который происходит в узком интервале концентраций конденсирующего агента. [Ref] Поскольку двойные спирали очень близко подходят друг к другу в конденсированной фазе, это приводит к реструктуризации воды молекулы, которые вызывают так называемые силы гидратации . [ref] Чтобы понять притяжение между отрицательно заряженными молекулами ДНК, нужно также учитывать корреляции между противоионами в растворе. [ref] Конденсация ДНК белками может проявлять гистерезис, который может можно объяснить с помощью модифицированной модели Изинга . [11]

Роль в регуляции генов [ править ]

В настоящее время описания регуляции генов основаны на приближении равновесного связывания в разбавленных растворах , хотя ясно, что эти предположения на самом деле нарушаются в хроматине . Приближение разбавленного раствора нарушается по двум причинам. Во-первых, содержание хроматина далеко не разбавленное, а во-вторых, количество участвующих молекул иногда настолько мало, что нет смысла говорить об объемных концентрациях. Дальнейшие отличия от разбавленных растворов возникают из-за разной аффинности связывания белков с конденсированной и неконденсированной ДНК. Таким образом, в конденсированной ДНК скорости реакции могут изменяться, а их зависимость от концентраций реагентов может стать нелинейной. [1]

См. Также [ править ]

  • G-квадруплекс
  • Структурный мотив

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h Teif, VB; Бохинц, К. (2011). «Конденсированная ДНК: уплотнение концепций». Прогресс в биофизике и молекулярной биологии . 105 (3): 208–22. DOI : 10.1016 / j.pbiomolbio.2010.07.002 . PMID  20638406 .
  2. Перейти ↑ Bloomfield, VA (1996). «Конденсация ДНК». Текущее мнение в структурной биологии . 6 (3): 334–41. DOI : 10.1016 / S0959-440X (96) 80052-2 . PMID 8804837 . 
  3. Перейти ↑ Bloomfield, VA (1997). «Конденсация ДНК многовалентными катионами». Биополимеры . 44 (3): 269–82. CiteSeerX 10.1.1.475.3765 . DOI : 10.1002 / (SICI) 1097-0282 (1997) 44: 3 <269 :: AID-BIP6> 3.0.CO; 2-T . PMID 9591479 .  
  4. ^ Циммерман, SB; Мерфи, LD (1996). «Макромолекулярное скопление и обязательная конденсация ДНК у бактерий» . Письма FEBS . 390 (3): 245–8. DOI : 10.1016 / 0014-5793 (96) 00725-9 . PMID 8706869 . 
  5. ^ a b Шехтер Н., Зальцман Л., Вайнер А., Брамфельд В., Шимони Е., Фридман-Сиркис Ю., Мински А. (2013). «Стресс-индуцированная конденсация бактериальных геномов приводит к повторному спариванию сестринских хромосом: последствия для репарации двухцепочечных разрывов ДНК» . J. Biol. Chem . 288 (35): 25659–67. DOI : 10.1074 / jbc.M113.473025 . PMC 3757227 . PMID 23884460 .  
  6. ^ Хромосомный каркас представляет собой двухцепочечную сборку белков каркаса, Пунперм и др., Научный доклад о природе s
  7. ^ Чоу, MH; Ян, КТН; Беннетт, MJ; Вонг, JTY (2010). «Двулучепреломление и ДНК-конденсация жидкокристаллических хромосом» . Эукариотическая клетка . 9 (10): 1577–87. DOI : 10.1128 / EC.00026-10 . PMC 2950428 . PMID 20400466 .  
  8. Перейти ↑ Marinov GK, Lynch M (2016). «Разнообразие и дивергенция белков гистонов динофлагеллят» . G3 (Bethesda) . 6 (2): 397–422. DOI : 10,1534 / g3.115.023275 . PMC 4751559 . PMID 26646152 .  
  9. ^ Риаз, S; Sui, Z; Niaz, Z; Хан, S; Лю, Y; Лю, Х (14 декабря 2018 г.). «Отличительные ядерные особенности динофлагеллят с особым вниманием к гистонам и гистон-замещающим белкам» . Микроорганизмы . 6 (4): 128. DOI : 10.3390 / microorganisms6040128 . PMC 6313786 . PMID 30558155 .  
  10. ^ Luijsterburg, Martijn S .; Уайт, Малькольм Ф .; ван Дриэль, Роэль; Дама, Ремус Тх. (8 января 2009 г.). "Основные архитекторы хроматина: архитектурные белки в бактериях, архее и эукариотах". Критические обзоры в биохимии и молекулярной биологии . 43 (6): 393–418. DOI : 10.1080 / 10409230802528488 . PMID 19037758 . 
  11. ^ Втюрина, Наталья Н .; Дулин, Давид; Доктер, Маргрит В .; Мейер, Энн С .; Dekker, Nynke H .; Аббонданциери, Элио А. (18 апреля 2016 г.). «Гистерезис уплотнения ДНК под действием Dps описывается моделью Изинга» . Труды Национальной академии наук . 113 (18): 4982–4987. Bibcode : 2016PNAS..113.4982V . DOI : 10.1073 / pnas.1521241113 . ISSN 0027-8424 . PMC 4983820 . PMID 27091987 .   

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Gelbart WM; Bruinsma R .; Pincus PA; Парсегян В.А. (2000). "Электростатика, вдохновленная ДНК" . Физика сегодня . 53 (9): 38. Bibcode : 2000PhT .... 53i..38G . DOI : 10.1063 / 1.1325230 .
  • Strey HH; Подгорник Р .; Рау DC; Парсегян В.А. (1998). «ДНК-ДНК взаимодействия». Текущее мнение в структурной биологии . 8 (3): 309–313. DOI : 10.1016 / s0959-440x (98) 80063-8 . PMID  9666326 .
  • Шиссель Х (2003). «Физика хроматина». J. Phys .: Condens. Материя . 15 (19): R699 – R774. arXiv : cond-mat / 0303455 . Bibcode : 2003JPCM ... 15R.699S . DOI : 10.1088 / 0953-8984 / 15/19/203 .
  • Виджаянатан V .; Thomas T .; Томас TJ (2002). «Наночастицы ДНК и разработка средств доставки ДНК для генной терапии». Биохимия . 41 (48): 14085–14094. DOI : 10.1021 / bi0203987 . PMID  12450371 .
  • Йошикава К. (2001). «Контроль структуры высшего порядка гигантских молекул ДНК». Расширенные обзоры доставки лекарств . 52 (3): 235–244. DOI : 10.1016 / s0169-409x (01) 00210-1 . PMID  11718948 .
  • Hud NV; Вильфан ID (2005). «Тороидальные конденсаты ДНК: раскрытие тонкой структуры и роли нуклеации в определении размера». Annu Rev Biophys Biomol Struct . 34 : 295–318. DOI : 10.1146 / annurev.biophys.34.040204.144500 . PMID  15869392 .
  • Йошикава К. и Ю. Йошикава. 2002. Уплотнение и конденсация ДНК. В фармацевтических перспективах терапии на основе нуклеиновых кислот. Р. И. Махато и С. В. Ким, редакторы. Тейлор и Фрэнсис. 137-163.