Конденсация ДНК

редактировать
Пирофосфатная уходящая группа в реакции конденсации с образованием рибозофосфатного полимера. Конденсация аденина и гуанина, образующих фосфодиэфирную связь, основу основной цепи нуклеиновой кислоты.

Конденсация ДНК относится к процессу уплотнения молекул ДНК in vitro или in vivo. Детали механизма 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. Следовательно, конденсация ДНК in vitro служит модельной системой для многих процессов физики, биохимии и биологии. Кроме того, конденсация ДНК имеет множество потенциальных применений в медицине и биотехнологии.

Диаметр ДНК составляет около 2 нм, в то время как длина растянутой одиночной молекулы может достигать нескольких десятков сантиметров в зависимости от организм. 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 двойная спираль ), 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 vivo, намного меньше, чем пространство, которое она занимала 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». Это определение применимо ко многим ситуациям in vitro, а также близко к определению конденсации ДНК у бактерий как «принятие относительно концентрированного, компактного состояния, занимающего часть доступного объема». У эукариот размер ДНК и количество других участвующих игроков намного больше, и молекула ДНК образует миллионы упорядоченных нуклеопротеиновых частиц, нуклеосом, которые является лишь первым из многих уровней упаковки ДНК.

Содержание

  • 1 В жизни
    • 1.1 В вирусах
    • 1.2 У бактерий
    • 1.3 У эукариот
    • 1.4 У архей
  • 2 В vitro
  • 3 Физика
  • 4 Роль в регуляции генов
  • 5 См. также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дополнительная литература

В жизни

В вирусах

В вирусах и бактериофагах ДНК или РНК окружены белком капсидом, иногда дополнительно покрытым липидной мембраной. Двухцепочечная ДНК хранится внутри капсида в виде катушки, которая может иметь разные типы спиралей, приводящие к различным типам жидкокристаллической упаковки. Эта упаковка может изменяться с гексагональной на холестерической на 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, ДНК, конденсированная in vitro, например, с помощью полиаминов, также присутствующих в вирусах, является как локально упорядоченной, так и жидкой.

У бактерий

Основные единицы геномной организации у бактерий и эукариот.

Бактериальная ДНК упакована с помощью полиаминов и белков, называемых нуклеоид-ассоциированными белками. ДНК, связанная с белками, занимает около 1/4 внутриклеточного объема, образуя концентрированную вязкую фазу с жидкокристаллическими свойствами, называемую нуклеоидом. Аналогичная упаковка ДНК существует также в хлоропластах и митохондриях. Бактериальную ДНК иногда называют бактериальной хромосомой. Бактериальный эволюционный нуклеоид представляет собой промежуточное инженерное решение между упаковкой ДНК без белков в вирусах и упаковкой, определяемой белками у эукариот.

Сестринские хромосомы в бактерии Escherichia coli индуцируются стрессовыми условиями в конденсируются и подвергаются спариванию. Конденсация, вызванная стрессом, происходит за счет неслучайного сближения сестринских хромосом, похожего на застежку-молнию. Эта конвергенция, по-видимому, зависит от способности идентичных двухцепочечных молекул ДНК специфически идентифицировать друг друга, процесс, который завершается близостью гомологичных сайтов вдоль парных хромосом. Различные стрессовые условия, по-видимому, заставляют бактерии эффективно справляться с серьезными повреждениями ДНК, такими как двухцепочечные разрывы. Сопоставление гомологичных сайтов, связанных со стресс-индуцированной конденсацией хромосом, помогает объяснить, как происходит восстановление двухцепочечных разрывов и других повреждений.

У эукариот

Различные уровни конденсации ДНК у эукариот. (1) Одиночная цепь ДНК. (2) Нить хроматина (ДНК с гистонами). (3) Хроматин во время интерфазы с центромерой. (4) Две копии конденсированного хроматина вместе во время профазы. (5) Хромосома во время метафазы.

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 базовым уровнем уплотнения ДНК является нуклеосома, где двойная спираль обернута вокруг октамера гистона, содержащего две копии каждого гистона H2A, H2B, H3 и H4. Линкер гистон H1 связывает ДНК между нуклеосомами и облегчает упаковку нуклеосомной цепи «бусинок на нити» размером 10 нм в более конденсированное 30 нм волокно. Большую часть времени между делениями клетки хроматин оптимизируется, чтобы обеспечить легкий доступ факторов транскрипции к активным генам, которые характеризуются менее компактной структурой, называемой эухроматином, а также 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. 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 семейства кинезинов 4 (KIF4)

Динофлагеллаты - очень разные эукариоты с точки зрения того, как они упаковывают свою ДНК. Их хромосомы упакованы в жидкокристаллическом состоянии. Они потеряли многие из консервативных гистоновых генов, используя в основном (DVNP) или бактериальные гистоноподобные белки динофлагеллят (HLP) для упаковки вместо них. Неизвестно, как они контролируют доступ к генам; те, которые сохраняют гистон, имеют особый код гистона.

В архее

В зависимости от организма, архея может использовать бактериоподобную систему HU или систему нуклеосом, подобную эукариотам, для упаковки.

In vitro

Конденсация ДНК может быть индуцирована in vitro либо путем приложения внешней силы для сближения двойных спиралей, либо путем индукции 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 посредством многовалентных катионных заряженных лигандов (многовалентных ионов металлов, неорганических катионов, полиаминов, протамины, пептиды, липиды, липосомы и белки ).

Физика

Конденсация длинных двухспиральных ДНК представляет собой 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 молекул воды, что приводит к так называемому. [ref] Чтобы понять притяжение между отрицательно заряженными молекулами ДНК, необходимо также учитывать между противоионами в растворе. [ref] Конденсация ДНК белками может иметь гистерезис, который можно объяснить с помощью модифицированная модель Изинга.

Роль в регуляции генов

В настоящее время описания регуляции генов являются основой d на приближениях в разбавленных растворах, хотя ясно, что эти допущения фактически 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 обе скорости реакции могут изменяться, и их зависимость от концентраций реагентов может стать нелинейной.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

  • Gelbart WM; Bruinsma R.; Пинкус П. А.; Парсегян В. А. (2000). "Электростатика, вдохновленная ДНК". Физика сегодня. 53 (9): 38. Bibcode : 2000PhT.... 53i..38G. doi : 10,1063 / 1,1325230.
  • Стрей Х. Х.; Подгорник Р.; Rau D. C.; 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. Иметь значение. 15 (19): R699 – R774. arXiv : cond-mat / 0303455. Bibcode : 2003JPCM... 15R.699S. doi : 10.1088 / 0953-8984 / 15/19/203.
  • Vijayanathan V.; Thomas T.; Томас Т. Дж. (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). «Управление высшей структурой гигантских молекул ДНК». Расширенные обзоры доставки лекарств. 52 (3): 235–244. doi : 10.1016 / s0169-409x (01) 00210-1. PMID 11718948.
  • Худ Н.В.; Вильфан И. Д. (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.
Последняя правка сделана 2021-05-16 09:17:02
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте