конденсация ДНК

Конденсация ДНК относится к процессу уплотнения ДНК молекул in vitro или in vivo . ^[1] Детали механизма упаковки ДНК необходимы для ее функционирования в процессе регуляции генов в живых системах. Конденсированная ДНК часто обладает удивительными свойствами, которые невозможно предсказать на основе классических представлений о разбавленных растворах. Поэтому конденсация ДНК in vitro служит модельной системой для многих процессов физики , биохимии и биологии . ^[2] Кроме того, конденсация ДНК имеет множество потенциальных применений в медицине и биотехнологии . ^[1]

Диаметр ДНК составляет около 2 нм, а длина вытянутой одиночной молекулы может достигать нескольких десятков сантиметров в зависимости от организма. Многие особенности двойной спирали ДНК способствуют ее большой жесткости, в том числе механические свойства сахарофосфатного остова, электростатическое отталкивание между фосфатами (ДНК несет в среднем один элементарный отрицательный заряд на каждые 0,17 нм двойной спирали ), стэкинговые взаимодействия между основания каждой отдельной цепи и взаимодействия между цепями. ДНК — один из самых жестких природных полимеров, но при этом одна из самых длинных молекул. Длина персистенции двухцепочечной ДНК (дцДНК) является мерой ее жесткости или гибкости, которая зависит от последовательности ДНК и окружающей среды, включая такие факторы, как концентрация соли, pH и температура. В физиологических условиях (например, при почти нейтральном pH и физиологических концентрациях соли) персистентная длина дцДНК обычно составляет около 50 нм, что соответствует примерно 150 парам оснований. ^[1] Это означает, что на больших расстояниях ДНК можно рассматривать как гибкую веревку, а на коротких — как жесткий стержень. Подобно садовому шлангу, неупакованная ДНК будет случайным образом занимать гораздо больший объем, чем когда она упорядоченно упакована. Математически для невзаимодействующей гибкой цепи, беспорядочно диффундирующей в 3D, расстояние между концами будет масштабироваться как квадратный корень из длины полимера. Для реальных полимеров, таких как ДНК, это дает лишь очень приблизительную оценку; важно то, что пространство, доступное для ДНК in vivo, гораздо меньше, чем пространство, которое она занимала бы в случае свободной диффузии в растворе. Чтобы справиться с ограничениями по объему, ДНК может упаковываться в подходящие условия раствора с помощью ионов и других молекул. Обычно конденсацию ДНК определяют как «распад протяженных цепей ДНК в компактные упорядоченные частицы, содержащие всего одну или несколько молекул». ^[3] 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». ^[4] У эукариот размер ДНК и количество других участвующих игроков намного больше, и молекула ДНК образует миллионы упорядоченных нуклеопротеиновых частиц, нуклеосом , что является лишь первым из многих уровней упаковки ДНК. ^[1]

В жизни

В вирусах

В вирусах и бактериофагах ДНК или РНК окружены белковым капсидом , иногда дополнительно окутанным липидной мембраной . Двухцепочечная ДНК хранится внутри капсида в виде катушки, которая может иметь разные типы скручивания, приводящие к разным типам жидкокристаллической упаковки. Эта упаковка может меняться от гексагональной к холестерической и изотропной на разных стадиях функционирования фага. Хотя двойные спирали всегда локально выровнены, ДНК внутри вирусов не представляет собой настоящие жидкие кристаллы , поскольку ей недостает текучести. С другой стороны, ДНК, конденсированная in vitro , например, с помощью полиаминов, также присутствующих в вирусах, является одновременно локально упорядоченной и жидкой. ^[1]

У бактерий

Бактериальная ДНК упакована с помощью полиаминов и белков, называемых белками, связанными с нуклеоидами . Связанная с белком ДНК занимает около 1/4 внутриклеточного объема, образуя концентрированную вязкую фазу со свойствами жидкого кристалла, называемую нуклеоидом. Другие исследования также показали, что геном бактерий занимает примерно 10-15% объема бактерий. ^[5] Подобная упаковка ДНК существует также в хлоропластах и митохондриях . Бактериальную ДНК иногда называют бактериальной хромосомой . Эволюция бактериальных нуклеоидов представляет собой промежуточное инженерное решение между безбелковой упаковкой ДНК у вирусов и белково-определяемой упаковкой у эукариот. ^[1]

Сестринские хромосомы бактерии Escherichia coli под воздействием стрессовых условий конденсируются и спариваются. ^[6] Вызванная стрессом конденсация происходит за счет неслучайного сближения сестринских хромосом, напоминающего застежку-молнию. Эта конвергенция, по-видимому, зависит от способности идентичных двухцепочечных молекул ДНК специфически идентифицировать друг друга, и этот процесс завершается близостью гомологичных участков вдоль парных хромосом. Различные стрессовые условия, по-видимому, заставляют бактерии эффективно справляться с серьезными повреждениями ДНК, такими как двухцепочечные разрывы. Апозиция гомологичных сайтов, связанных с вызванной стрессом конденсацией хромосом, помогает объяснить, как происходит репарация двухцепочечных разрывов и других повреждений. ^[6]

У эукариотов

Эукариотическая ДНК типичной длины в десятки сантиметров должна быть упорядоченно упакована, чтобы быть легко доступной внутри ядра микрометрового размера. У большинства эукариот ДНК располагается в ядре клетки с помощью гистонов. В этом случае основным уровнем компактизации ДНК является нуклеосома, где двойная спираль обернута вокруг октамера гистонов, содержащего по две копии каждого гистона H2A , H2B , H3 и H4 . Линкерный гистон H1 связывает ДНК между нуклеосомами и облегчает упаковку нуклеосомной цепи длиной 10 нм «бусинки на нити» в более конденсированное волокно длиной 30 нм. Большую часть времени между клеточными делениями хроматин оптимизируется, чтобы обеспечить легкий доступ факторов транскрипции к активным генам , которые характеризуются менее компактной структурой, называемой эухроматином , и облегчить доступ белка в более плотно упакованные области, называемые гетерохроматином . Во время деления клеток уплотнение хроматина еще больше увеличивается, образуя хромосомы , которые могут справиться с большими механическими силами, затягивающими их в каждую из двух дочерних клеток. ^[1] Многие аспекты транскрипции контролируются химической модификацией белков-гистонов, известной как код гистонов .

Хромосомный каркас играет важную роль в удержании хроматина в компактной хромосоме. Хромосомный каркас состоит из белков, включая конденсин , топоизомеразу IIα и члена 4 семейства кинезинов (KIF4). ^[7]

Динофлагелляты — очень разные эукариоты с точки зрения того, как они упаковывают свою ДНК. Их хромосомы упакованы в жидкокристаллическом состоянии. ^[8] Они потеряли многие консервативные гены гистонов, используя вместо этого в основном вирусные нуклеопротеины динофлагеллятов происхождения (HLP) бактериального происхождения (DVNP) или гистоноподобные белки динофлагеллятного . Неизвестно, как они контролируют доступ к генам; те, которые сохраняют гистон, имеют специальный код гистонов . ^[9]^[10]

В архее

В зависимости от организма археи могут использовать для упаковки бактериоподобную HU-систему или эукариотоподобную нуклеосомную систему. ^[11]

В пробирке

Конденсацию ДНК можно вызвать in vitro либо путем приложения внешней силы для соединения двойных спиралей, либо путем индукции притягивающих взаимодействий между сегментами ДНК. Первого можно достичь, например, с помощью осмотического давления, создаваемого скучиванием нейтральных полимеров в присутствии одновалентных солей. В этом случае силы, сталкивающие двойные спирали вместе, возникают в результате энтропийных случайных столкновений с скученными полимерами, окружающими конденсаты ДНК, и соль требуется для нейтрализации зарядов ДНК и уменьшения отталкивания ДНК-ДНК. Вторая возможность может быть реализована путем индуцирования притягивающих взаимодействий между сегментами ДНК многовалентными катионно-заряженными лигандами (многовалентными ионами металлов , неорганическими катионами , полиаминами , протаминами , пептидами , липидами , липосомами и белками ). ^[1]

Физика

Конденсация длинных двухспиральных ДНК представляет собой резкий фазовый переход , который происходит в узком интервале концентраций конденсирующего агента.[ref] Поскольку в конденсированной фазе двойные спирали очень близко подходят друг к другу, это приводит к перестройке воды. молекул, что приводит к возникновению так называемых сил гидратации .[ref] Чтобы понять притяжение между отрицательно заряженными молекулами ДНК, необходимо также учитывать корреляции между противоионами в растворе.[ref] Конденсация ДНК белками может проявлять гистерезис, который может объяснить с помощью модифицированной модели Изинга . ^[12]

Роль в регуляции генов

В настоящее время описания регуляции генов основаны на приближениях 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 разбавлено, а во-вторых, число участвующих молекул иногда настолько мало, что говорить об объемных концентрациях не имеет смысла. Дальнейшие отличия от разбавленных растворов возникают из-за разной аффинности связывания белков с конденсированной и неконденсированной ДНК. Таким образом, в конденсированной ДНК могут изменяться не только скорости реакций, но и их зависимость от концентраций реагирующих веществ может становиться нелинейной. ^[1]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Тейф, В.Б.; Бохинц, К. (2011). «Конденсированная ДНК: конденсация концепций». Прогресс биофизики и молекулярной биологии . 105 (3): 208–22. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2010.07.002 . ПМИД 20638406 .
^ Блумфилд, Вирджиния (1996). «Конденсация ДНК». Современное мнение в области структурной биологии . 6 (3): 334–41. дои : 10.1016/S0959-440X(96)80052-2 . ПМИД 8804837 .
^ Блумфилд, Вирджиния (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 . ПМИД 9591479 .
^ Циммерман, С.Б.; Мерфи, LD (1996). «Макромолекулярная скученность и обязательная конденсация ДНК у бактерий» . Письма ФЭБС . 390 (3): 245–8. дои : 10.1016/0014-5793(96)00725-9 . ПМИД 8706869 .
^ Дама, Ремус Т.; Тарк-Даме, Марилис (июнь 2016 г.). «Бактериальный хроматин: сходящиеся взгляды в разных масштабах» . Современное мнение в области клеточной биологии . 40 :60–65. дои : 10.1016/j.ceb.2016.02.015 . ISSN 1879-0410 . ПМИД 26942688 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Шехтер Н., Зальцман Л., Вайнер А., Брумфельд В., Шимони Е., Фридманн-Сиркис Ю., Мински А. (2013). «Вызванная стрессом конденсация бактериальных геномов приводит к повторному спариванию сестринских хромосом: последствия для восстановления двухцепочечных разрывов ДНК» . Ж. Биол. Хим . 288 (35): 25659–67. дои : 10.1074/jbc.M113.473025 . ПМЦ 3757227 . ПМИД 23884460 .
^ Хромосомный каркас представляет собой двухцепочечную сборку каркасных белков, автор: Poonperm et al, Научные отчеты Nature.
^ Чоу, Миннесота; Ян, КТХ; Беннетт, MJ; Вонг, JTY (2010). «Двулучепреломление и конденсация ДНК жидкокристаллических хромосом» . Эукариотическая клетка . 9 (10): 1577–87. дои : 10.1128/EC.00026-10 . ПМЦ 2950428 . ПМИД 20400466 .
^ Маринов Г.К., Линч М. (2016). «Разнообразие и расхождение гистонов динофлагеллят» . G3 (Бетесда) . 6 (2): 397–422. дои : 10.1534/g3.115.023275 . ПМЦ 4751559 . ПМИД 26646152 .
^ Риаз, С; Суй, З; Нияз, З; Хан, С; Лю, Ю; Лю, Х (14 декабря 2018 г.). «Отличительные ядерные особенности динофлагеллят с особым акцентом на гистоны и гистонзамещающие белки» . Микроорганизмы . 6 (4): 128. doi : 10.3390/microorganisms6040128 . ПМЦ 6313786 . ПМИД 30558155 .
^ Луистербург, Мартин С.; Уайт, Малкольм Ф.; ван Дрил, Рул; Дама, Ремус Т. (8 января 2009 г.). «Основные архитекторы хроматина: архитектурные белки у бактерий, архей и эукариот». Критические обзоры по биохимии и молекулярной биологии . 43 (6): 393–418. дои : 10.1080/10409230802528488 . ПМИД 19037758 . S2CID 85874882 .
^ Втюрина, Наталья Н.; Дулин, Дэвид; Доктер, Маргрит В.; Мейер, Энн С.; Деккер, Нинка Х.; Аббонданциери, Элио А. (18 апреля 2016 г.). «Гистерезис уплотнения ДНК с помощью Dps описывается моделью Изинга» . Труды Национальной академии наук . 113 (18): 4982–4987. Бибкод : 2016PNAS..113.4982V . дои : 10.1073/pnas.1521241113 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 4983820 . ПМИД 27091987 .

Дальнейшее чтение

Гелбарт В.М.; Бруинсма Р.; Пинкус Пенсильвания; Парсегян В.А. (2000). «Электростатика, основанная на ДНК» . Физика сегодня . 53 (9): 38. Бибкод : 2000ФТ....53и..38Г . дои : 10.1063/1.1325230 .
Стрей Х.Х.; Подгорник Р.; Рау ДК; Парсегян В.А. (1998). «Взаимодействие ДНК-ДНК». Современное мнение в области структурной биологии . 8 (3): 309–313. дои : 10.1016/s0959-440x(98)80063-8 . ПМИД 9666326 .
Шиссель Х (2003). «Физика хроматина». J. Phys.: Condens. Иметь значение . 15 (19): 699–774 рэндов. arXiv : cond-mat/0303455 . Бибкод : 2003JPCM...15R.699S . дои : 10.1088/0953-8984/15/19/203 . S2CID 250893202 .
Виджаянатан В.; Томас Т.; Томас Т.Дж. (2002). «Наночастицы ДНК и разработка средств доставки ДНК для генной терапии». Биохимия . 41 (48): 14085–14094. дои : 10.1021/bi0203987 . ПМИД 12450371 .
Ёсикава К (2001). «Управление структурой высшего порядка гигантских молекул ДНК». Обзоры расширенной доставки лекарств . 52 (3): 235–244. дои : 10.1016/s0169-409x(01)00210-1 . ПМИД 11718948 .
Худ Н.В.; Вильфан И.Д. (2005 г.). «Тороидальные конденсаты ДНК: раскрытие тонкой структуры и роль нуклеации в определении размера». Annu Rev Biophys Biomol Struct . 34 : 295–318. doi : 10.1146/annurev.biophys.34.040204.144500 . ПМИД 15869392 .
Ёсикава К. и Ю. Ёсикава. 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.

[Teif-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Тейф, В.Б.; Бохинц, К. (2011). «Конденсированная ДНК: конденсация концепций». Прогресс биофизики и молекулярной биологии . 105 (3): 208–22. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2010.07.002 . ПМИД 20638406 .

[Bloomfield'96-2] Блумфилд, Вирджиния (1996). «Конденсация ДНК». Современное мнение в области структурной биологии . 6 (3): 334–41. дои : 10.1016/S0959-440X(96)80052-2 . ПМИД 8804837 .

[Bloomfield'97-3] Блумфилд, Вирджиния (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 . ПМИД 9591479 .

[Zimmerman&Murphy'96-4] Циммерман, С.Б.; Мерфи, LD (1996). «Макромолекулярная скученность и обязательная конденсация ДНК у бактерий» . Письма ФЭБС . 390 (3): 245–8. дои : 10.1016/0014-5793(96)00725-9 . ПМИД 8706869 .

[5] Дама, Ремус Т.; Тарк-Даме, Марилис (июнь 2016 г.). «Бактериальный хроматин: сходящиеся взгляды в разных масштабах» . Современное мнение в области клеточной биологии . 40 :60–65. дои : 10.1016/j.ceb.2016.02.015 . ISSN 1879-0410 . ПМИД 26942688 .

[pmid23884460-6] Перейти обратно: ^а ^б Шехтер Н., Зальцман Л., Вайнер А., Брумфельд В., Шимони Е., Фридманн-Сиркис Ю., Мински А. (2013). «Вызванная стрессом конденсация бактериальных геномов приводит к повторному спариванию сестринских хромосом: последствия для восстановления двухцепочечных разрывов ДНК» . Ж. Биол. Хим . 288 (35): 25659–67. дои : 10.1074/jbc.M113.473025 . ПМЦ 3757227 . ПМИД 23884460 .

[7] Хромосомный каркас представляет собой двухцепочечную сборку каркасных белков, автор: Poonperm et al, Научные отчеты Nature.

[Chow-8] Чоу, Миннесота; Ян, КТХ; Беннетт, MJ; Вонг, JTY (2010). «Двулучепреломление и конденсация ДНК жидкокристаллических хромосом» . Эукариотическая клетка . 9 (10): 1577–87. дои : 10.1128/EC.00026-10 . ПМЦ 2950428 . ПМИД 20400466 .

[9] Маринов Г.К., Линч М. (2016). «Разнообразие и расхождение гистонов динофлагеллят» . G3 (Бетесда) . 6 (2): 397–422. дои : 10.1534/g3.115.023275 . ПМЦ 4751559 . ПМИД 26646152 .

[10] Риаз, С; Суй, З; Нияз, З; Хан, С; Лю, Ю; Лю, Х (14 декабря 2018 г.). «Отличительные ядерные особенности динофлагеллят с особым акцентом на гистоны и гистонзамещающие белки» . Микроорганизмы . 6 (4): 128. doi : 10.3390/microorganisms6040128 . ПМЦ 6313786 . ПМИД 30558155 .

[11] Луистербург, Мартин С.; Уайт, Малкольм Ф.; ван Дрил, Рул; Дама, Ремус Т. (8 января 2009 г.). «Основные архитекторы хроматина: архитектурные белки у бактерий, архей и эукариот». Критические обзоры по биохимии и молекулярной биологии . 43 (6): 393–418. дои : 10.1080/10409230802528488 . ПМИД 19037758 . S2CID 85874882 .

[12] Втюрина, Наталья Н.; Дулин, Дэвид; Доктер, Маргрит В.; Мейер, Энн С.; Деккер, Нинка Х.; Аббонданциери, Элио А. (18 апреля 2016 г.). «Гистерезис уплотнения ДНК с помощью Dps описывается моделью Изинга» . Труды Национальной академии наук . 113 (18): 4982–4987. Бибкод : 2016PNAS..113.4982V . дои : 10.1073/pnas.1521241113 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 4983820 . ПМИД 27091987 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]