Конденсация ДНК - DNA condensation

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 ДНК молекулы in vitro или in vivo.[1] Детали механизма упаковки ДНК важны для ее функционирования в процессе генная регуляция 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 модельная система для многих процессов физика, биохимия и биология.[2] Кроме того, у конденсации ДНК есть много потенциальных применений в лекарство и биотехнология.[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-фосфатного остова, электростатическое отталкивание между ними. фосфаты (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 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 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] В эукариоты, размер ДНК и количество других участвующих игроков намного больше, а молекула ДНК образует миллионы упорядоченных нуклеопротеин частицы, нуклеосомы, который является лишь первым из многих уровней упаковки ДНК.[1]

В жизни

В вирусах

В вирусы и бактериофаги, ДНК или РНК окружены белком капсид, иногда дополнительно покрытые липидом мембрана. Двухцепочечная ДНК хранится внутри капсида в виде катушки, которая может иметь разные типы спиралей, приводящие к разным типам жидкокристаллический упаковка. Эта упаковка может измениться с шестиугольник к холестерин к изотропный на разных этапах функционирования фага. Хотя двойные спирали всегда локально выровнены, ДНК внутри вирусов не соответствует действительности. жидкие кристаллы, потому что ему не хватает плавности. С другой стороны, конденсированная ДНК in vitroнапример, с помощью полиаминов, также присутствующих в вирусах, является локально упорядоченным и текучим.[1]

В бактериях

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

Бактериальная ДНК упаковывается с помощью полиамины и белки под названием нуклеоид-ассоциированные белки. 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 хлоропласты и митохондрии. Бактериальную ДНК иногда называют бактериальная хромосома. 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 в бактерии кишечная палочка вызываются стрессовыми условиями, чтобы конденсироваться и подвергаться спариванию.[5] Конденсация, вызванная стрессом, происходит за счет неслучайного сближения сестринских хромосом, похожего на застежку-молнию. Эта конвергенция, по-видимому, зависит от способности идентичных двухцепочечных ДНК молекулы для специфической идентификации друг друга, процесс, который достигает высшей точки в близости гомологичных сайтов вдоль парных хромосом. Различные стрессовые условия, по-видимому, заставляют бактерии эффективно справляться с тяжелыми Повреждения 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

Различные уровни конденсации ДНК у эукариот. (1) Одиночная цепь ДНК. (2) Хроматин нить (ДНК с гистонами). (3) Хроматин во время межфазный с участием центромера. (4) Две копии конденсированного хроматина вместе во время профаза. (5) Хромосома во время метафаза.
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 гистонов, содержащих по две копии каждого гистон H2A, H2B, H3 и H4. Компоновщик гистон H1 связывает ДНК между нуклеосомами и облегчает упаковку нуклеосомной цепи «бусинок на нити» размером 10 нм в более плотное волокно 30 нм. В большинстве случаев между делениями клеток хроматин оптимизирован, чтобы обеспечить легкий доступ факторов транскрипции к активным гены, которые характеризуются менее компактной структурой, называемой эухроматин и для облегчения доступа к белкам в более плотно упакованных областях, называемых гетерохроматин. Во время деления клетки уплотнение хроматина еще больше усиливается с образованием хромосомы, которые могут справиться с большими механическими силами, затягивая 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, в том числе конденсин, топоизомераза IIα и член семейства кинезинов 4 (KIF4)[6]

Динофлагелляты 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, используя в основном вирусные нуклеопротеины динофлагеллят (DVNP) или бактериального происхождения гистоноподобные белки динофлагеллят (HLP) вместо упаковки. Неизвестно, как они контролируют доступ к генам; те, которые сохраняют гистон, имеют особый гистоновый код.[8][9]

В архее

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

В пробирке

Конденсация ДНК может быть вызвана in vitro либо путем приложения внешней силы для сближения двойных спиралей, либо путем создания 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 с помощью поливалентных катионных заряженных лигандов (поливалентных ионы металлов, неорганический катионы, полиамины, протамины, пептиды, липиды, липосомы и белки ).[1]

Физика

Конденсация длинных двухспиральных ДНК - резкое фаза перехода, который имеет место 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, которая приводит к так называемому силы гидратации. [ref] Чтобы понять притяжение между отрицательно заряженными молекулами ДНК, необходимо также учитывать корреляции между противоионами в растворе. [ref] Конденсация ДНК белками может иметь гистерезис, который можно объяснить с помощью модифицированного Модель Изинга.[11]

Роль в регуляции генов

В настоящее время описания регуляции генов основаны на приближении равновесное связывание в разбавленные растворы, хотя очевидно, что в действительности эти предположения нарушаются в хроматин. 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]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж г час Тейф, В.Б .; Бохинц, К. (2011). «Конденсированная ДНК: уплотнение концепций». Прогресс в биофизике и молекулярной биологии. 105 (3): 208–22. Дои:10.1016 / j.pbiomolbio.2010.07.002. PMID  20638406.
  2. ^ Блумфилд, Вирджиния (1996). «Конденсация ДНК». Текущее мнение в структурной биологии. 6 (3): 334–41. Дои:10.1016 / S0959-440X (96) 80052-2. PMID  8804837.
  3. ^ Блумфилд, Вирджиния (1997). «Конденсация ДНК многовалентными катионами». Биополимеры. 44 (3): 269–82. CiteSeerX  10.1.1.475.3765. Дои:10.1002 / (SICI) 1097-0282 (1997) 44: 3 <269 :: AID-BIP6> 3.0.CO; 2-T. PMID  9591479.
  4. ^ Циммерман, С.Б .; Мерфи, LD (1996). «Макромолекулярное скопление и обязательная конденсация ДНК у бактерий». Письма FEBS. 390 (3): 245–8. Дои:10.1016/0014-5793(96)00725-9. PMID  8706869.
  5. ^ 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 репарации двухцепочечных разрывов ДНК». J. Biol. Chem. 288 (35): 25659–67. Дои:10.1074 / jbc.M113.473025. ЧВК  3757227. PMID  23884460.
  6. ^ Хромосомный каркас представляет собой двухцепочечную сборку белков каркаса, авторы Poonperm et al, Научный отчет о природе s
  7. ^ Чоу, MH; Ян, КТН; Беннетт, MJ; Вонг, JTY (2010). «Двулучепреломление и конденсация ДНК жидкокристаллических хромосом». Эукариотическая клетка. 9 (10): 1577–87. Дои:10.1128 / EC.00026-10. ЧВК  2950428. PMID  20400466.
  8. ^ Маринов Г.К., Линч М. (2016). «Разнообразие и дивергенция гистоновых белков динофлагеллят». G3 (Bethesda). 6 (2): 397–422. Дои:10.1534 / g3.115.023275. ЧВК  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 белкам, замещающим гистоны». Микроорганизмы. 6 (4): 128. Дои:10.3390 / микроорганизмы 6040128. ЧВК  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 у бактерий, архей и эукариот». Критические обзоры в биохимии и молекулярной биологии. 43 (6): 393–418. Дои: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:2016ПНАС..113.4982В. Дои:10.1073 / pnas.1521241113. ISSN  0027-8424. ЧВК  4983820. PMID  27091987.

дальнейшее чтение