DNS szupertekercselés: 7 teljes gyors tény

tartalom

• Mi az a Supercoiling | DNS szupertekercselés
• A legtöbb sejt DNS-e fel van sebzve
• A topológiai összekapcsolási szám határozza meg a DNS Underwinding-et
• Pozitív szupertekercselés | Negatív szupertekercselés
• Topoizomeráz | Változás az összekapcsolási számban | A negatív szupertekercselés bevezetése
• A DNS-tömörítéshez szupertekercselés szükséges
• Interjú Q&A

Mi az a szupertekercselés? | DNS szupertekercselés

A sejt DNS-e, amint azt mindannyian tudjuk, nagyon tömörített, ami a szerkezeti szerveződés magasabb szintjére enged következtetni. A DNS hajtogatási mechanizmusa összecsomagolja a sejt DNS-ét, így a DNS-ben lévő információ hozzáférhető marad.

Gondosan meg kell vizsgálnunk a DNS alapszerkezetét, hogy jobban megértsük a DNS-replikációt és a transzkripciós folyamatot. Előzetes ismeretekkel kell rendelkeznünk a DNS szerkezetének egy döntő tulajdonságáról szuperspiráiosodási.

A szupertekercselés a tekercselt szerkezet további tekercselését jelenti. Tegyük fel például, hogy a telefon vezetéke általában egy tekercses vezeték. A telefon teste és a vevőegység közötti vezeték gyakran tartalmaz legalább egy szupertekercset. A két DNS-szál egymás köré csavarodik, és létrehozza a DNS kettős spirális szerkezetét. A DNS tengelyében történő tekercselés szupertekercselést okoz. A DNS szuperspirálozása többnyire a mögöttes szerkezeti törzs jele. Ha nem következik be a DNS tengelyirányú elhajlása, a DNS relaxált állapotúnak tekinthető.

Arra számíthattunk, hogy a DNS tömörítési folyamata bizonyos szuperspirálozást is magában foglal. Talán kevésbé meglepő, hogy a DNS replikációja és transzkripciója ezenkívül befolyásolja és befolyásolja a szuperspirálozás. A replikáció és a transzkripció egyaránt megköveteli a DNS-szálak leválását és a DNS helikális feltekercselését.

• Az, hogy a DNS maga elcsavarodik és szupertekervényes lesz a sejtben lévő kompakt DNS-ben, ezen a ponton ésszerűnek tűnik, sőt talán jelentéktelennek is.
• Számos cirkuláris DNS-molekula azonban kivételesen szupertekercses marad még extrahálásuk és tisztításuk után is.
• Ez arra utal, hogy a szuperspirálozás a DNS belső tulajdonsága. Minden sejt DNS-ében előfordul, és kivételesen minden sejt szabályozza.
• A szupertekercselés különböző mérhető tulajdonságait szabványosították, és a szupertekercselés vizsgálata számos betekintést nyer a DNS szerkezetébe és működésébe.
• Ez a vizsgálat a topológia ötletein és egy dinamikus körülmények között nem változó objektum tulajdonságainak vizsgálatán alapul.

A DNS esetében az állandó deformációk konformációs változásokat tartalmaznak hőmozgás vagy fehérje kölcsönhatás vagy más kémiai ágensek miatt; az időszakos deformációk közé tartozik a DNS-szál törés. Egy körkörös DNS esetében a topológiai tulajdonságokat nem befolyásolják a DNS-szálak szerkezeti változásai, ha nincs száltörés. A topológiai tulajdonságokat kizárólag a cukor-foszfát gerincszakadás és a DNS-szálak újracsatlakozása zavarja meg. Jelenleg a szupertekercselés alapvető jellemzőit és fizikai alapjait vizsgáljuk.

A legtöbb sejt DNS-e fel van sebzve

A szuperspirálozás felismeréséhez először a kis cirkuláris DNS-ek, például a kis vírus DNS-ek és plazmidok jellemzőire kell koncentrálnunk. Ha a DNS-ben nincs törés egyik szálban sem, az zárt körkörös DNS-nek minősül. Tegyük fel, hogy egy körkörös DNS-molekula DNS-e szorosan illeszkedik egymáshoz, és egy B-alakú szerkezetet alkot, ahogy Watson-Crick említette. A B-DNS egy köre 10.5 bp-ból áll; akkor a DNS ellazul a szupertekercselés helyett.

Szupertekeredés figyelhető meg, ha a DNS-t szerkezeti feszültségnek vetik alá. A tisztított cirkuláris DNS nagyon ritkán található ellazult állapotban, függetlenül annak eredetétől. Ezen túlmenően a DNS-nek van egy jellegzetes mértéke a szupertekercselésnek a forrásától vagy eredetétől függően. A DNS szerkezete megfeszül, hogy szuperspirálos legyen. Szinte minden esetben a törzs a körkörös kettős spirális DNS feltekercselésének eredménye.

• Ez azt jelenti, hogy a DNS-nek kevesebb spirális fordulata van, mint a B-DNS szerkezetének.
• A B-DNS egy körben 10.5 bázispárt (bp) tartalmaz.
• Tehát egy relaxált cirkuláris DNS 84 bp fragmentumának nyolc spirális fordulata lenne. Vagy egy fordulat minden 10.5 bp-hoz.
• Ha ezen körök egyikét eltávolítják, akkor a B-DNS-ben található 84 helyett (7 bp)/12.0 = 10.5 bp lenne.

Ez eltérés a DNS-szerkezet legstabilabb formájától, és ennek megfelelően a DNS-molekula termodinamikailag feszültség alatt áll. Általában sok törzs megtelepedik, ha a DNS-tengelyt magára tekercselve szupertekercset képez, a törzs egy része ebben a 84 bp-os szakaszban csak szétszóródik a nagyobb DNS-részecske csavaratlan szerkezetében.

Alapvetően a törzs indukálható a két DNS-szál körülbelül tíz bp távolságra történő elkülönítésével.

A körkörös DNS-ben az alultekercselés által prezentált törzs általában szupertekercselés útján rakódik le a szál szegregációja helyett, mivel a DNS tengelyében történő tekercselés általában kevesebb energiát igényel, mint a komplementer bázispárok közötti hidrogénkötések megszakítása. 

Fontos megjegyzés: annak ellenére, hogy a DNS in vivo alulfonódása egyszerűbbé teszi a DNS-szálak elkülönítését, hozzáférést biztosítva a bennük lévő genetikai információkhoz.

Minden sejt enzimatikus ciklusok segítségével folyamatosan alátekercseli a DNS-ét, és az ezt követő feszült állapot egyfajta raktározott energia. A sejtek a DNS-t feltekercselt formában tartják, így könnyen feltekerhető. A DNS aláhúzása kritikus fontosságú a DNS számára metabolizáló enzimek amelyek funkciójuk részeként szálszétválasztást igényelnek.

A seb alatti állapotot csak zárt körkörös DNS esetén tartják meg, vagy fehérjékkel (hisztonokkal) kell megkötni, hogy a szálak ne tekeredjenek egymás köré. Ha egy körkörös DNS szála elszakad, amely szegregált és nem fehérjéhez kötődik, a szabad mozgás vagy forgás ezen a ponton arra készteti, hogy a feltekeredett DNS azonnal visszaálljon ellazult állapotába. A körkörös DNS-ben a spirális fordulatok száma adja meg a szupertekercselés mértékét.

A topológiai összekapcsolási szám határozza meg a DNS Underwinding-et

A topológia különféle gondolatokat ad, amelyek hasznosak ebben a beszélgetésben, különösen a számok összekapcsolásának ötletével. A kapcsolódási szám a kettős spirális DNS topológiai jellemzőin alapuló tulajdonság, mivel nem változik, ha a DNS deformálódik vagy elhajlik anélkül, hogy eltörne. Az összekötő szám (Lk) a következőben látható.

Kezdjük azzal, hogy felvázoljuk a kettős spirális körkörös DNS két szálának elkülönülését. Ha a két szál összekapcsolódik, akkor egy topológiai kötésen keresztül produktívan összekapcsolódnak. Függetlenül az összes bázis halmozási kölcsönhatástól és hidrogénkötéstől, a topológiai kötés továbbra is csatlakozik a két szálhoz.

Ha egy kör alakú DNS egyik szálát tekintjük felületnek (például egy szappanfilmnek), akkor a kapcsolódási számot a második szál által okozott felületi behatolások számaként ábrázoljuk. Egy kör alakú DNS esetében a kapcsoló szám mindig egész szám.

Hagyományosan a kapcsolódási szám pozitív, ha a DNS kettős hélix szálai egy jobbkezes hélixben fonódnak össze. Ha a DNS kettős hélix szálai egy bal oldali hélixben fonódnak össze, akkor a kapcsolódási szám negatív lesz. A negatív összekötő számok gyakorlatilag nem találhatók meg a DNS-ben.

Ha a körkörös DNS-molekula ellazul, a kapcsolódási szám könnyen meghatározható a DNS-molekulában lévő több bázispárral, körönként bázispáronként (~10.5). Egy 2100 bp méretű, körkörös DNS esetében a kapcsolódási szám 200 lesz.

A kapcsolódási számot azokra a DNS-molekulákra számítják ki, amelyek nem szakadnak el egyik DNS-szálban sem. Pászmatörés esetén topológiai kötések nem léteznek; így a hivatkozási szám definiálatlan marad.

Mostantól képesek vagyunk bemutatni a DNS alátekervényét az összekapcsoló számváltozás eredményeként. Az összekötő szám a relaxált DNS-ben, Lk₀, perspektíva (referencia) forrásként hasznosul. Egy olyan DNS-molekulánál, amelynek kapcsolódási száma = 200 (Lk₀ = 200), ha ebből a DNS-molekulából két menetet kiveszünk vagy eltávolítunk, akkor Lk = 198. Az egyenlet ábrázolhatja a változást:

∆Lk = Lk – Lk₀

∆Lk = 198 – 200 = -2

Sokkal jobb, ha a kapcsolási szám változását fajlagos kapcsolódási különbséggel (σ) vagy szuperhelikális sűrűséggel fejezzük ki (ez a mennyiség nem függ a DNS hosszától). A specifikus kapcsolódási szám matematikailag úgy definiálható, mint az eltávolított fordulatok száma (a kapcsolódási szám változása), osztva a DNS relaxált állapotában jelenlévő több fordulattal.

σ = ∆Lk/Lk₀

tehát egy 200-as kapcsolási számmal rendelkező DNS-molekulánál, ha két menetet eltávolítunk belőle, a specifikus kapcsolódási különbség lesz

σ = -2/200 = -0.01 

azt mutatja, hogy a B-DNS-molekulában jelenlévő teljes spirális fordulatból 2-ból (200%) eltávolítják.

Pozitív szupertekercselés | Negatív szupertekercselés

A sejtes DNS alátekercselésének mértéke általában 5-7%; azaz -0.05 és -0.07 között. Ez a negatív előjel azt mutatja, hogy a kapcsolódási szám változása várhatóan alultekercselődik, vagy a DNS alultekercselése miatt. Az alátekercselés által kiváltott szupertekercselést ily módon negatív szupertekercselésként jellemezzük. Alternatív megoldásként bizonyos körülmények között a DNS feltekerhető, ami pozitív szuperspirálozást eredményezhet.

Fontos megjegyzés: A pozitív szupertekercselés (overwound DNS) által okozott csavarodás útja a DNS tengelyében a negatív szupertekercselés (underwound DNS) által okozott DNS tengely csavarodásának tükörképe.

A szupertekercselés természetesen nem önkényes kölcsönhatás; a szupertekercselést általában a DNS-re ruházott torziós feszültség irányítja a B-DNS kapcsolási számának növelésével vagy csökkentésével. 

A kapcsolódási szám eggyel változik egy DNS-szál törésével, az egyik vége pedig 360-kal elfordul^o a szálról (töretlen) és újracsatlakozva a B-DNS törött végeihez.

Ez a változás nem zavarja a bázispárok vagy atomok számát a körkörös DNS-ben. Kétféle cirkuláris DNS-t nevezünk, amelyek topológiai tulajdonsága (például összekapcsolási szám) szerint változik topoizomerek.

Az összekötő szám két elsődleges összetevőre osztható, amelyek Twist (Tw) és Writhe (Wr) néven ismertek. Ezeket nehezebb ábrázolni, mint a számok összekapcsolását. Mégis, a vonaglás a spirális tengely tekercselésének aktusának tekinthető, és a Twist a szomszédos bázispárok és a lokális csavarodás térbeli kapcsolataként határozható meg. Ezen a ponton a kapcsolási szám változása azt eredményezi, hogy megváltozik a feszültség aránya, amelyet általában a vonaglás (szupertekercselés), és kevés a Twist változása pótol, ezt követi az egyenlet:

Lk = Tw + Wr

Tw és Wr nem feltétlenül egész számok. A Writ és Twist geometriai tulajdonságok a topológiai tulajdonságok helyett, mivel a torzítások megváltoztathatják őket a körkörös DNS-ben.

Szupertekercselést okoznak, és sokkal egyszerűbbé teszik a szál szegregációt. A DNS alaptekercse a cirkuláris DNS számos más szerkezeti változásával konjugálva működik. Ezek kisebb fiziológiai jelentőséggel bírnak, de segítenek megmutatni az alultekercselés hatásait.

A keresztes alak általában több párosítatlan bázist tartalmaz; A DNS alátekercselés segít fenntartani a szükséges szálelválasztást. A jobb oldali kettős spirális DNS alátekercselés eredményeként a balkezes Z-DNS rövid foltjai képződnek olyan helyeken, ahol a nukleotidszekvencia konzisztens a Z-DNS-sel.

Topoizomeráz | Változás az összekapcsolási számban | A negatív szupertekercselés bevezetése

A DNS szuperspirálozása olyan folyamat, amely befolyásolja a DNS-anyagcserét. Minden sejtben specifikus enzimek találhatók, amelyek egyedüli kapacitása a DNS kettős hélix feltekerése vagy potenciálisan ellazítása. Azokat az enzimeket, amelyek csökkentik vagy növelik a DNS alátekercselését, topoizomerázoknak nevezik; általában megváltoztatják a DNS kapcsolódási számát, hogy fenntartsák a szuperspirálozást.

Ezek az enzimek különösen jelentős szerepet játszanak a DNS-csomagolás és a DNS replikáció folyamatában. A topoizomerázt általában két fő típusra osztják:

• Az I-es típusú topoizomerázok egy szálat szakítanak meg a kettős spirális DNS-ből. A töretlen DNS-szálat átvezeti a résen, és leköti a törött végét; Az I-es típusú topoizomeráz 1-gyel növeli az Lk-t. 
• A II-es típusú topoizomerázok megtörik a kettős spirális DNS kettős hélix mindkét szálát, és 2-vel megváltoztatják az Lk-t.

A topoizomerázok hatása a DNS topológiájára gélelektroforézissel (agaróz) írható le. A hasonló plazmid DNS-ek populációja azonos kapcsolószámmal nem folytonos sávként halad az elektroforézis során. Ezzel a technikával akár 1 Lk értékkel változó topoizomerek izolálhatók, így a topoizomerázok által előidézett kapcsolódási szám változása könnyen azonosítható.

Az E. coli-nak négy megkülönböztethető egyéni topoizomeráza van (I-től IV-ig). Az I. típus (ideértve az I. és III. topoizomerázt): 

általában relaxálja a DNS kettős hélixet a negatív szupertekercsek megszüntetésével (ezáltal növeli az Lk értéket). Azt, hogy az I. típusú bakteriális topoizomerázok hogyan növelik a kapcsolódási számot, elmagyarázzák. A II. típusú bakteriális topoizomeráz vagy DNS-giráz képes negatív szuperspirálok indukálására, és végül az Lk érték csökkentésére.

Ennek eléréséhez az ATP energiáját használja fel. A DNS kettős hélix kapcsolódási számának megváltoztatására a II-es típusú topoizomerázok elválasztják a DNS kettős hélix két szálát, és később lehetővé teszi egy másik duplex keresztezését a törésen keresztül. A bakteriális DNS szuperspirálozási szintje teljes mértékben a topoizomeráz I és II szabályozása alatt áll. Az eukarióták ezen kívül mind az I., mind a II. típusú topoizomerázokkal rendelkeznek.

Az I. és III. topoizomerázok az I. típusú enzimek osztályába tartoznak; míg a II-es típusú enzimek közé tartoznak a II-α és II-β topoizomerázok. Az eukarióta II-es típusú topoizomerázok nem képesek alátekerni a DNS-t (negatív szuperspirálozást indukálnak), mégis képesek lazítani a negatív és pozitív szupertekercselést.

Valószínűnek tartjuk a negatív szupertekercsek kezdetét eukarióta sejtek a kromatinról szóló beszélgetésünkben a későbbi vitánkban.

A DNS-tömörítéshez szupertekercselés szükséges

A szuperspirált DNS kettős hélix különböző szempontok szerint egységes. A szupertekercselés jobbkezes DNS-molekulában, amely negatívan szupertekeredett, és hajlamos arra, hogy keskenyek és megnyúljanak, ahelyett, hogy sok ágat tartalmazó kompakt szerkezetet mutatnának. Ennél a sejtekben jellemzően tapasztalható szuperhélikus sűrűségnél az ágakkal való szupertekercselés tengelyének hossza a teljes DNS hosszának körülbelül 40%-át teszi ki.

Ez a fajta szupertekercselés plektonémás szupertekercselés néven ismert (a „plektos” görög szavak kombinációja, jelentése „görbült”, a „nema” pedig „húr”).

Ez a kifejezés minden olyan kialakításra vonatkozik, amelyben a szálak szabályosan átlapolódnak, és ez egy tisztességes leírása a szupertekercses DNS általános szerkezetének a Plectonem Supercoiling során. A laboratóriumban elválasztott DNS-ekben látható szerkezet nem biztosítja a megfelelő tömörítést a csomagolt sejt DNS-hez. A szupertekercselés második típusa, az úgynevezett szolenoid, előtekerhető DNS-sel állítható elő.

A plektonémiás formától eltérően (amelyet kiterjesztett jobbkezes szupertekercselés jellemez), a szolenoid szupertekercselést szűk balos fordulatok jellemzik. Függetlenül attól, hogy szerkezetük drasztikusan különbözik egymástól, a szolenoid és a plektonémiás a negatív szuperspirálozás két típusa, amelyet a feltekercselt DNS hasonló fragmentuma képes felvenni.

A két szerkezet gyakran átváltható. A plektonémiás szerkezet azonban stabilabb. De a szolenoid szerkezetet gyakran a fehérjekötés stabilizálja, ami a kromatinban található szerkezet. Sokkal magasabb tömörítési szintet biztosít. A szolenoid szupertekercselésben az alátekercselés hozzájárul a DNS tömörítéséhez.

Következtetések

Ebben a cikkben részletesen megvitattuk a DNS szuperspirálozásának mechanizmusát, valamint a szupertekercselési folyamatban részt vevő enzimeket és fehérjéket. A következő bejegyzésekben továbbra is a DNS további vonatkozásairól fogunk beszélni. Tudni a DNS összetételéről kattints ide

Interjú Q&A

Q1 Miért fontos a pozitív szupertekercselés?

Válasz: A pozitív DNS szuperspirálozás megkönnyíti a DNS letekercselését a hisztonokból, és megváltoztatja a nukleoszóma szerkezetét in vitro; fordítva, a nukleoszómák gyorsan negatív DNS-t alkotnak szupertekervényben. Ezért úgy tekintjük, hogy minden transzkripciós esetben a pozitív Supercoiling az RNS-polimeráz után tolódik. A felhalmozódott pozitív torziós feszültség változásokat vált ki a nukleoszómákban, és olyan körülményeket teremt, amelyek között a polimeráz jól átírja a teljes nukleoszómális tömböt.

Q2 A Supercoiling jó vagy rossz?

Válasz: A DNS szuperspirálozása azért fontos, mert a DNS nagyon hosszú molekula, és mikrométeres sugarú sejtbe kell illeszkednie. Az illeszkedéshez ismételt hurokra van szükség a tekercshurkokon belül, ezt a típusú tekercset Supercoiling néven ismerik. Szabályozza a transzkripciós és replikációs folyamatot is. 

Q3 Hogyan növekszik a DNS pozitív szuperspirálozása?

Válasz: A DNS pozitív szuperspirálozása akkor következik be, amikor a DNS jobb oldali kettős spirálja sokkal szorosabbra van hajlítva (jobbra adott elrendezésben eltorzulva), amíg a hélix csomósodni nem kezd.

Q4 Negatív szuperspirálozás baktériumokban

Válasz: A bakteriális DNS általában negatív szuperspirálozást mutat a bakteriális sejtekben, mivel hiányos spirális fordulatokat tartalmaz. B-DNS szerkezetében a DNS kettős hélix szálai minden 10.5 bázispár után egy teljes fordulatot tesznek. A fordulatok számának növelése szorosabbá teszi a DNS kettős hélixet, és a DNS kettős spirál tengelyirányú tekercselése miatt vonaglást eredményez. A duplex alultekercselésén keresztül történő kanyarodás kiküszöbölése ellenkező hatást vált ki, így a duplex negatívan vonaglik.

Q5 Miért fontos a negatív szupertekercselés?

Válasz: A negatív szuperspirálozásnak jelentős természetes funkciója van a DNS szál-szegregációjában a replikáció és a transzkripció során. A szálak szétválása csökkenti a torziós feszültséget a negatív szuperspirált DNS-ben. Ily módon a negatív szuperspirált DNS-ben energetikailag olcsóbb a szálak elkülönítése, mint a relaxált DNS-ben, és az energiakülönbséget a DNS relaxációja biztosítja.

6. kérdés Miért teszi a pozitívan szuperspirálozó DNS stabilabbá a DNS-t magas hőmérsékleten?

Válasz: A pozitív DNS szuperspirálozás növeli a kapcsolatok számát két DNS-szál között. Az a konformáció, amely ellenáll a hő által kiváltott denaturációnak a DNS kettős hélixében, stabillá teszi azt hipertermofil körülmények között. a hipertermofil körülmények között élő baktériumból izolált plazmidok nagyobb kapcsolódási számot mutattak, mint az ilyen körülmények között nem élő baktériumból izolált plazmidok.

7. kérdés Miért vándorol a supercoil plazmid DNS a legkisebb ellenállással az agarózon a másik ex lineáris formához képest?

Válasz: Szupertekercses jellege miatt a DNS-fragmensek mérete kisebb lesz, és így kisebb súrlódási akadályt észlelnek a gélből – ez azt eredményezi, hogy a DNS ezen formájának mozgása gyorsabb, mint más formáké.

8. kérdés Mi a különbség a kényszerű és a nem kötött DNS szuperspirálozás között?

Válasz: A „korlátlan” szót a „szabad” DNS szupertekervényének ábrázolására használják a topológiai feszültség miatt. Nem támogatja és nem támaszkodik fehérjékre, mert mennyit ér az eukariótákban, ahol nagyjából 147 bázispár DNS van a nukleoszóma körül, amely lényegében egy hisztonoktamer, amely két egységnyi H2A, H2B, H2 és H3 hisztonból áll. Az ilyen típusú szupertekercselés „korlátozottnak” minősül, mivel a nukleoszóma szerkezete korlátozza.

Q9 Melyik enzim segít elvágni a DNS-duplex egyik szálát, hogy felszabadítsa a két szál tekercselését?

Válasz: A topoizomeráz szálba vágja és feltekercselődik. Az I-es típusú topoizomerázok egy szálat szakítanak meg a kettős spirális DNS-ből. A töretlen DNS-szálat átvezeti a résen, és leköti a törött végét; Az I-es típusú topoizomeráz 1-gyel növeli az Lk-t. A II-es típusú topoizomerázok megtörik a kettős spirális DNS kettős hélix mindkét szálát, és 2-vel megváltoztatják az Lk-t.

Q10 A bakteriális plazmidok kerekek, vagy szuperspirálosak?

Válasz: Sok fajban a bakteriális DNS kör alakú és negatívan szuperspirál. Egy Escherichia coli-ból tisztított plazmidot a növekedés középső (exponenciális) fázisában σ = -0.06 fokig szupertekercselik. A cellán belül a korlátlan Supercoiling körülbelül a fele ennek az értéknek.