Supercoiling DNA | Ένας ζωτικός μηχανισμός για τη συσκευασία DNA

Supercoiling DNA | Ένας ζωτικός μηχανισμός για τη συσκευασία DNA

Περιεχόμενα

Τι είναι το Supercoiling; | Υπερπλήρωση DNA

Το DNA ενός κυττάρου, όπως όλοι γνωρίζουμε, είναι πολύ συμπιεσμένο, συνάγοντας ένα υψηλότερο επίπεδο δομικής οργάνωσης. Ο μηχανισμός αναδίπλωσης του DNA συσκευάζει το κυτταρικό DNA έτσι ώστε οι πληροφορίες μέσα στο DNA να παραμένουν προσβάσιμες.

Πρέπει να εξετάσουμε προσεκτικά τη βασική δομή του DNA για να κατανοήσουμε τη διαδικασία αναπαραγωγής και μεταγραφής του DNA. Πρέπει να έχουμε προηγούμενη γνώση σχετικά με μια κρίσιμη ιδιότητα της δομής του DNA που είναι υπερκάλυψη.

Το Supercoiling συνεπάγεται την περαιτέρω περιέλιξη μιας κουλουριασμένης δομής. Ας πούμε, για παράδειγμα, ένα καλώδιο τηλεφώνου είναι συνήθως ένα κουλουριασμένο καλώδιο. Το καλώδιο μεταξύ του σώματος του τηλεφώνου και του δέκτη ενσωματώνει συχνά τουλάχιστον ένα supercoils. Οι δύο κλώνοι DNA τυλίγονται ο ένας τον άλλον για να παράγουν τη διπλή ελικοειδή δομή του DNA. Η περιτύλιξη στον άξονα του DNA προκαλεί υπερκάλυψη. Η υπερ-περιέλιξη στο DNA ως επί το πλείστον, είναι ένα σημάδι της υποκείμενης δομικής καταπόνησης. Όταν δεν προκύπτει αξονική κάμψη DNA, το DNA θεωρείται σε χαλαρή κατάσταση.

Υπερπλήρωση DNA
Σχήμα: DNA Supercoiling, επίπεδα υπερκάλυψης που βρίσκονται στο DNA. Εν συντομία, μοιάζει με το πηνίο του καλωδίου τηλεφώνου
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Epigenetic_mechanisms.png

Μπορεί να είχαμε προβλέψει ότι η διαδικασία συμπύκνωσης του DNA περιλάμβανε κάποιο υπερσυσσωμάτωση. Ίσως λιγότερο απροσδόκητο είναι ότι η αντιγραφή και η μεταγραφή του DNA επηρεάζουν επιπρόσθετα και επηρεάζονται από την υπερπλήρωση. Η αντιγραφή και η μεταγραφή απαιτούν αποκόλληση των κλώνων DNA και ελικοειδή ξετύλιγμα του DNA.

  • Το ίδιο το DNA θα στρίβεται και θα γίνει υπερσυσσωρευμένο σε συμπαγώς συσκευασμένο DNA στο κύτταρο θα φαινόταν λογικό, σε αυτό το σημείο, και ίσως ακόμη και ασήμαντο.
  • Ωστόσο, αρκετά μόρια κυκλικού DNA παραμένουν εξαιρετικά επικαλυμμένα ακόμη και μετά την εκχύλιση και τον καθαρισμό τους.
  • Αυτό υποδηλώνει ότι η υπερ-περιέλιξη είναι εγγενής ιδιότητα του DNA. Συμβαίνει σε κάθε κυτταρικό DNA και ρυθμίζεται εξαιρετικά από κάθε κύτταρο.
  • Έχουν τυποποιηθεί διάφορες μετρήσιμες ιδιότητες του υπερσυστρώματος και η έρευνα του υπερσυστρώματος έχει δώσει πολλές πληροφορίες για τη δομή του DNA και τη λειτουργία του.
  • Αυτή η έρευνα βασίζεται στις ιδέες της τοπολογίας και στη διερεύνηση ιδιοτήτων ενός αντικειμένου που δεν αλλάζει υπό δυναμικές συνθήκες.

Για το DNA, οι συνεπείς παραμορφώσεις ενσωματώνουν αλλαγές διαμόρφωσης λόγω θερμικής κίνησης ή αλληλεπίδρασης πρωτεΐνης ή άλλων χημικών παραγόντων. διαλείπουσες παραμορφώσεις περιλαμβάνουν θραύση κλώνου DNA. Για κυκλικό ϋΝΑ οι τοπολογικές ιδιότητες δεν επηρεάζονται από δομικές αλλαγές στους κλώνους DNA εάν δεν υπάρχουν σπασίματα κλώνων. Οι τοπολογικές ιδιότητες διαταράσσονται αποκλειστικά από τη θραύση του σκελετού φωσφορικού σακχάρου και την επανασύνδεση οποιουδήποτε από τους κλώνους DNA. Αυτήν τη στιγμή εξετάζουμε τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά και τη φυσική βάση του υπερσυστρώματος.

Το μεγαλύτερο μέρος του κυτταρικού DNA είναι υποβρύχιο

Για να αναγνωρίσουμε την υπερ-περιέλιξη, θα πρέπει αρχικά να επικεντρωθούμε στα χαρακτηριστικά των μικρών κυκλικών DNA, όπως τα μικρά ιογενή DNA και τα πλασμίδια. Εάν το DNA δεν έχει σπάσει σε κανένα από τα κλώνα, θεωρείται κλειστό κυκλικό DNA. Ας υποθέσουμε ότι το DNA ενός κυκλικού μορίου DNA ευθυγραμμίζεται στενά για να σχηματίσει μια δομή Β-μορφής, όπως αναφέρεται από τον Watson-Crick. Η μία στροφή του B-DNA αποτελείται από 10.5 bp. Τότε, το DNA είναι χαλαρό αντί να υπερπηδά.

Υπερπλήρωση παρατηρείται όταν το DNA υποβάλλεται σε δομική καταπόνηση. Το καθαρισμένο κυκλικό DNA βρίσκεται σπάνια σε χαλαρή κατάσταση, ανεξάρτητα από την προέλευσή του. Εκτός αυτού, το DNA έχει ένα χαρακτηριστικό βαθμό υπερ-περιέλιξης ανάλογα με την πηγή ή την προέλευσή του. Η δομή του DNA είναι τεταμένη έτσι ώστε να μπορεί να υποστεί υπερκάλυψη. Σε σχεδόν κάθε περίπτωση, το στέλεχος είναι αποτέλεσμα της υποσύνδεσης του κυκλικού διπλού ελικοειδούς DNA.

  • Δηλαδή, και το DNA έχει λιγότερες ελικοειδείς στροφές από τη δομή B-DNA.
  • Το B-DNA περιέχει 10.5 ζεύγη βάσεων (bp) σε μία στροφή.
  • Έτσι, ένα τεμάχιο 84 bp ενός χαλαρού κυκλικού DNA θα είχε οκτώ ελικοειδείς στροφές. Ή μία στροφή για κάθε 10.5 bp.
  • Εάν αφαιρεθεί μία από αυτές τις στροφές, θα υπήρχε (84 bp) / 7 = 12.0 bp ανά στροφή, αντί για 10.5 που βρέθηκαν στο B-DNA.

Είναι μια απόκλιση από την πιο σταθερή μορφή της δομής του DNA και το μόριο του DNA τονίζεται θερμοδυναμικά ανάλογα. Συνήθως, πολλή καταπόνηση θα δημιουργηθεί με την περιτύλιξη του άξονα DNA από μόνη της για να πλαισιώσει ένα υπερ-πηνίο, ένα τμήμα του στελέχους σε αυτό το τμήμα 84 bp θα διασκορπίζονταν απλώς στην ασυμπτωματική δομή του μεγαλύτερου σωματιδίου DNA)

Σε βασικό επίπεδο, το στέλεχος μπορεί να προκληθεί διαχωρίζοντας τους δύο κλώνους DNA για απόσταση περίπου δέκα bp.

Στο κυκλικό DNA, το στέλεχος που παρουσιάζεται με υποστροφή είναι γενικά κατακρημνισμένο αντί του διαχωρισμού κλώνου, δεδομένου ότι το πηνίο στον άξονα του DNA συνήθως χρειάζεται λιγότερη ενέργεια από το σπάσιμο των δεσμών υδρογόνου μεταξύ συμπληρωματικών ζευγών βάσεων. 

Σημαντική σημείωση: παρά το γεγονός ότι η υποστροφή του DNA in vivo διευκολύνει τον διαχωρισμό των κλώνων DNA, προσφέροντας πρόσβαση στις γενετικές πληροφορίες που περιέχουν.

Κάθε κύτταρο υποστέλλει συνεχώς το DNA του με τη βοήθεια ενζυματικών κύκλων και η επακόλουθη καταπόνηση κατάστασης αποτελεί ένα είδος αποθηκευμένης ενέργειας. Τα κύτταρα διατηρούν το DNA σε υποβρύχια μορφή, έτσι ώστε να μπορεί εύκολα να τυλίξει. Η υποσύνδεση του DNA είναι εξαιρετικά σημαντική για τα ένζυμα μεταβολισμού του DNA που χρειάζονται διαχωρισμό κλώνου ως συστατικό της λειτουργίας τους.

Η κατάσταση κάτω από την πληγή διατηρείται ως έχει μόνο στην περίπτωση κλειστού κυκλικού DNA, ή πρέπει να συνδέεται με πρωτεΐνες (ιστόνες) έτσι ώστε οι κλώνοι να μην τυλίγονται μεταξύ τους. Εάν σπάσει ένα σκέλος κυκλικού DNA που είναι διαχωρισμένα και δεν συνδέονται με πρωτεΐνες, η ελεύθερη κίνηση ή περιστροφή στο σημείο θα οδηγήσει το υποκείμενο DNA να επανέλθει αμέσως στη χαλαρή του κατάσταση. Στο κυκλικό DNA, ο αριθμός των ελικοειδών στροφών προσδίδει τον βαθμό υπερ-περιέλιξης.

Ο τοπολογικός αριθμός σύνδεσης ορίζει το DNA Underwinding

Η τοπολογία δίνει διάφορες σκέψεις που είναι χρήσιμες σε αυτήν τη συνομιλία, ειδικά την ιδέα της σύνδεσης αριθμού. Ο αριθμός σύνδεσης είναι μια ιδιότητα που βασίζεται σε τοπολογικά χαρακτηριστικά του διπλού ελικοειδούς DNA, καθώς δεν αλλάζει εάν το DNA παραμορφώνεται ή κάμπτεται χωρίς να σπάσει. Ο αριθμός σύνδεσης (Lk) εμφανίζεται στο.

Πρέπει να ξεκινήσουμε απεικονίζοντας τον διαχωρισμό των δύο κλώνων ενός διπλού ελικοειδούς κυκλικού DNA. Εάν οι δύο κλώνοι είναι συνδεδεμένοι, συνδέονται παραγωγικά μέσω τοπολογικού δεσμού. Ανεξάρτητα από όλες τις αλληλεπιδράσεις στοίβαξης βάσης και δεσμούς υδρογόνου, ο τοπολογικός δεσμός εξακολουθεί να ενώνει τους δύο κλώνους.

Εάν θεωρήσουμε ένα σκέλος ενός κυκλικού DNA ως επιφάνεια (για παράδειγμα, ένα φιλμ σαπουνιού), ο αριθμός σύνδεσης απεικονίζεται ως ο αριθμός των επιφανειακών διεισδύσεων που προκαλούνται από τον δεύτερο κλώνο. Για ένα κυκλικό DNA, ο αριθμός σύνδεσης είναι πάντα ακέραια τιμή.

Συμβατικά, ο αριθμός σύνδεσης είναι θετικός όταν οι κλώνοι της διπλής έλικας DNA συνυπάρχουν σε μια δεξιά έλικα. Εάν τα νήματα της διπλής έλικας του DNA συμπλέκονται σε μια αριστερή έλικα, ο αριθμός σύνδεσης εμφανίζεται αρνητικός. Οι αρνητικοί αριθμοί σύνδεσης δεν απαντώνται πρακτικά στο DNA.

Όταν το κυκλικό μόριο DNA χαλαρώνει, ο αριθμός σύνδεσης μπορεί εύκολα να προσδιοριστεί από διάφορα ζεύγη βάσεων στο μόριο DNA ανά ζεύγος βάσεων ανά στροφή (~ 10.5). Για ένα κυκλικό DNA με 2100 bp, θα εμφανίζει έναν αριθμό σύνδεσης 200.

Ο αριθμός σύνδεσης υπολογίζεται για εκείνα τα μόρια DNA που δεν σπάνε σε κανέναν από τους κλώνους DNA. Σε περίπτωση θραύσης κλώνου, δεν υπάρχουν τοπολογικοί δεσμοί. Ως εκ τούτου, ο αριθμός σύνδεσης παραμένει απροσδιόριστος.

Τώρα είμαστε σε θέση να απεικονίσουμε το DNA κάτω από την αλλαγή αριθμού σύνδεσης. Ο αριθμός σύνδεσης σε χαλαρό DNA, Lk0, χρησιμοποιείται ως πηγή προοπτικής (αναφορά). Για ένα μόριο DNA που έχει αριθμό σύνδεσης = 200 (Lk0 = 200), εάν δύο στροφές αφαιρεθούν ή αφαιρεθούν από αυτό το μόριο DNA, Lk = 198. Η εξίσωση μπορεί να απεικονίσει την αλλαγή:

ΔLk = Lk - Lk0

ΔLk = 198 - 200 = -2

Είναι πολύ καλύτερο να εκφράσετε την αλλαγή του αριθμού σύνδεσης ως προς τη συγκεκριμένη διαφορά σύνδεσης (σ) ή την υπερελική πυκνότητα (αυτή η ποσότητα δεν εξαρτάται από το μήκος του DNA). Ο συγκεκριμένος αριθμός σύνδεσης ορίζεται μαθηματικά ως ο αριθμός των στροφών που αφαιρέθηκαν (αλλαγή στον αριθμό σύνδεσης) διαιρούμενο με διάφορες στροφές που υπάρχουν στην χαλαρή κατάσταση του DNA.

σ = ΔLk / Lk0

έτσι, για ένα μόριο DNA με αριθμό σύνδεσης 200, εάν αφαιρεθούν δύο στροφές από αυτό, η συγκεκριμένη διαφορά σύνδεσης γίνεται

σ = -2/200 = -0.01 

αποδεικνύει ότι 2 στους 200 (1%) των συνολικών ελικοειδών στροφών που υπάρχουν στο μόριο Β-DNA αφαιρούνται.

Θετικό υπερκάλυψη | Αρνητικό υπερσκόπιο

Ο βαθμός υποσύνδεσης του κυτταρικού DNA είναι γενικά 5% έως 7%. δηλαδή, -0.05 έως -0.07. Αυτό το αρνητικό σημάδι δείχνει ότι μια αλλαγή στον αριθμό σύνδεσης αναμένεται να υποχωρήσει ή λόγω της υποσύνδεσης του DNA. Το υπερκάλυμμα που προκαλείται από την υποστροφή χαρακτηρίζεται κατ 'αυτόν τον τρόπο ως αρνητικό υπερσυσχέσιμο. Εναλλακτικά, υπό ορισμένες συνθήκες, το DNA μπορεί να ξεπεραστεί, προκαλώντας θετικό υπερσυσσωμάτωση.

Σημαντική σημείωση: Η πορεία της συστροφής στον άξονα DNA που προκαλείται από θετικό υπερ-περιέλιγμα (υπερένταση DNA) είναι η εικόνα καθρέφτη της συστροφής του άξονα DNA που προκαλείται από αρνητικό υπερ-περιέλιγμα (υποβρύχιο DNA).

Το Supercoiling σίγουρα δεν είναι αυθαίρετη αλληλεπίδραση. Το υπερ-περιέλιγμα κατευθύνεται γενικά από το στρεπτικό στέλεχος που προσδίδεται στο DNA αυξάνοντας ή μειώνοντας τον αριθμό σύνδεσης του Β-DNA. 

Ο αριθμός σύνδεσης αλλάζει κατά ένα με τη θραύση ενός κλώνου DNA, γυρίζοντας ένα από τα άκρα κατά 360o σχετικά με τον κλώνο (αδιάσπαστο) και επανένωση των σπασμένων άκρων του Β-DNA.

Αυτή η αλλαγή δεν διαταράσσει τον αριθμό ζευγών βάσης ή ατόμων στο κυκλικό DNA. Καλούνται δύο τύποι κυκλικού DNA που ποικίλλουν σε μια τοπολογική ιδιότητα (για παράδειγμα, αριθμός σύνδεσης) τοποϊσομερή.

Σχήμα: Αναπαράσταση θετικού και αρνητικού υπερσυστρώματος στο DNA https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/98/Subhash_nucleoid_06.png

Ο αριθμός σύνδεσης μπορεί να χωριστεί σε δύο κύρια στοιχεία γνωστά ως Twist (Tw) και Writhe (Wr). Αυτά είναι πιο δύσκολο να απεικονιστούν από τη σύνδεση του αριθμού. Ωστόσο, το writhe μπορεί να θεωρηθεί ως πράξη του πηνίου του ελικοειδούς άξονα και το Twist καθορίζεται ως η χωρική σχέση των γειτονικών ζευγών βάσεων και της τοπικής συστροφής. Σε αυτό το σημείο, η αλλαγή στον αριθμό σύνδεσης οδηγεί σε μια αλλαγή στην αναλογία της καταπόνησης που κανονικά αντισταθμίζεται από writhe (supercoiling) και λίγες από παραλλαγές στο Twist, ακολουθείται από την εξίσωση:

Lk Tw Wr

Τα Tw και Wr δεν είναι απαραίτητα ακέραιοι. Οι Writhe και Twist είναι γεωμετρικές ιδιότητες αντί τοπολογικές ιδιότητες, καθώς οι παραμορφώσεις ενδέχεται να τις αλλάξουν στο κυκλικό DNA.

Προκαλούν υπερσυμπίεση και καθιστούν τον διαχωρισμό των κλώνων πολύ πιο απλό. Η υποστροφή του DNA λειτουργεί σε συνδυασμό με πολλές άλλες δομικές αλλαγές στο κυκλικό DNA. Αυτές είναι μικρότερης φυσιολογικής σημασίας, ωστόσο βοηθούν στην εμφάνιση των επιπτώσεων της υποσύνδεσης.

Ένα σταυροειδές συνήθως περιέχει πολλές μη ζευγαρωμένες βάσεις. Η υποστροφή του DNA βοηθά στη διατήρηση του απαραίτητου διαχωρισμού κλώνου. Το δεξιόστροφο διπλό ελικοειδές DNA οδηγεί στον σχηματισμό μικρών μπαλωμάτων αριστερού Z-DNA σε μέρη με τη συνεπή νουκλεοτιδική αλληλουχία με το Z-DNA.

Τοποϊσομεράση | Αλλαγή στον αριθμό σύνδεσης | Εισαγωγή του αρνητικού υπερσυστρώματος

Το DNA υπερσυσσωμάτωσης είναι μια διαδικασία που επηρεάζει το μεταβολισμό του DNA. Κάθε κύτταρο έχει συγκεκριμένα ένζυμα με τη μοναδική ικανότητα να ξετυλίγει ή να χαλαρώνει ενδεχομένως τη διπλή έλικα του DNA. Τα ένζυμα που προκαλούν μείωση ή αύξηση στην υποστροφή του DNA είναι γνωστά ως τοποϊσομεράσες. αλλάζουν συνήθως τον αριθμό σύνδεσης του DNA για να διατηρήσουν το υπερσυσσωμάτωση.

Εικόνα: Μηχανισμός Δράσης και Αναστολής Τοποϊσομεράσης
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Topoisomerase_DNA.gif#/media/File:Topoisomerase_DNA.gif

Αυτά τα ένζυμα εμφανίζουν έναν ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο στη διαδικασία συσκευασίας και αντιγραφής του DNA. Σε γενικές γραμμές η τοποϊσομεράση ταξινομείται σε δύο βασικούς τύπους:

  • Οι τοποϊσομεράσες τύπου Ι σπάζουν ένα σκέλος από το διπλό ελικοειδές DNA. Περνάει τον αδιάσπαστο κλώνο DNA μέσω του κενού και συνδέει το σπασμένο άκρο. Η τοποϊσομεράση τύπου Ι επιφέρει αλλαγή στο Lk με την αύξηση του 1. 
  • Οι τοποϊσομεράσες τύπου II σπάζουν και τα δύο σκέλη της διπλής ελικοειδούς διπλής έλικας DNA και αλλάζουν το Lk με την αύξηση του 2.

Οι επιπτώσεις των τοποϊσομεράσης στην τοπολογία του DNA μπορούν να περιγραφούν με ηλεκτροφόρηση γέλης (αγαρόζη). Ένας πληθυσμός παρόμοιων πλασμιδικών DNA με τον ίδιο αριθμό σύνδεσης ταξιδεύει ως ασυνεχής ζώνη κατά τη διάρκεια της ηλεκτροφόρησης. Με την τεχνική αυτή μπορούν να απομονωθούν τα ισοϊσομερή που κυμαίνονται μόλις 1 τιμή Lk, οπότε η αλλαγή στον αριθμό σύνδεσης που προκαλείται από τις τοποϊσομεράσες μπορεί εύκολα να αναγνωριστεί.

Το E. coli έχει τέσσερις ξεχωριστές μεμονωμένες τοποϊσομεράσες (Ι έως IV). Ο τύπος Ι (περιλαμβάνει τοποϊσομεράσες Ι και III): 

συνήθως χαλαρώνετε τη διπλή έλικα του DNA εξαλείφοντας τα αρνητικά υπερ-πηνία (αυξάνοντας έτσι την τιμή Lk). Ο τρόπος με τον οποίο οι βακτηριακές τοποϊσομεράσες τύπου Ι αυξάνουν τον αριθμό σύνδεσης εξηγείται. Η βακτηριακή τοποϊσομεράση τύπου II ή η DNA γυράση, είναι ικανή να προκαλεί αρνητικά υπερσυστήματα και τελικά να μειώνει την τιμή Lk.

Χρησιμοποιεί την ενέργεια του ATP για να το επιτύχει. Για να αλλάξετε τον αριθμό σύνδεσης της διπλής έλικας DNA, οι τοποϊσομεράσες τύπου II διαχωρίζουν τους δύο κλώνους της διπλής έλικας DNA και αργότερα επιτρέπει τη διέλευση ενός άλλου διπλού διχτυού μέσω του διαλείμματος. Το επίπεδο υπερσυσχέτισης του βακτηριακού DNA βρίσκεται εντελώς υπό τις ρυθμίσεις τοποϊσομεράσης Ι και II. Οι ευκαρυώτες έχουν επιπλέον τοποϊσομεράσες τύπου Ι και τύπου II.

Οι τοποϊσομεράσες Ι και III ανήκουν στην κατηγορία των ενζύμων τύπου Ι. ενώ τα ένζυμα τύπου II περιλαμβάνουν τοποϊσομεράσες II-α και II-β. Οι ευκαρυωτικές τοποϊσομεράσες τύπου II δεν μπορούν να υποστρώσουν το DNA (προκαλούν αρνητικό υπερσυσχέτιση), αλλά μπορούν να χαλαρώσουν το αρνητικό και το θετικό υπερκάλυμμα.

Σχήμα: Επαγωγή αρνητικού υπερ-περιτυλίγματος στο DNA https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Subhash_nucleoid_04.png#/media/File:Subhash_nucleoid_04.png

Θα θεωρήσουμε πιθανότατα την αρχή των αρνητικών υπερτροχιών στα ευκαρυωτικά κύτταρα στη συζήτηση της χρωματίνης στη μετέπειτα συζήτησή μας.

Η συμπύκνωση DNA χρειάζεται Supercoiling

Η διπλή έλικας DNA με επικάλυψη είναι ομοιόμορφη από διάφορες απόψεις. Το Supercoiling είναι δεξιόστροφο σε ένα μόριο DNA που είναι αρνητικά υπερσυσκευασμένο και τείνουν να είναι στενά και εκτεταμένα αντί να εμφανίζουν μια συμπαγή δομή με πολλά κλαδιά. Σε αυτήν την υπερελική πυκνότητα που τυπικά βιώνεται σε κύτταρα, το μήκος του άξονα της υπερ-περιέλιξης με κλαδιά, αποτελεί περίπου το 40% του συνολικού μήκους DNA.

Αυτός ο τύπος Supercoiling είναι γνωστός ως Plectonemic Supercoiling (είναι ένας συνδυασμός ελληνικών λέξεων «plektos» σημαίνει «καμπύλο» και «nema» σημαίνει «string»).

Αυτός ο όρος ισχύει για οποιοδήποτε σχέδιο με σκέλη που αλληλοσυνδέονται τακτικά και, και είναι μια αξιοπρεπής περιγραφή της συνολικής δομής του υπερ-κουλουριασμένου DNA στο Plectonemic Supercoiling. Η δομή που εμφανίζεται σε διαχωρισμένα DNA στο εργαστήριο δεν παρέχει επαρκή συμπύκνωση σε συσκευασμένο κυτταρικό DNA. Ο δεύτερος τύπος Supercoiling, γνωστός ως solenoidal, μπορεί να παραχθεί από ένα υποκείμενο DNA.

Σχήμα: Ένα παράδειγμα Solenoidal Supercoiling βρέθηκε στο DNA https://en.wikipedia.org/wiki/File:Solenoid_30_nm_fibre_structure_closer_and_farther_away.png

Σε αντίθεση με την πλεκτωνιμική μορφή (που χαρακτηρίζεται από εκτεταμένο δεξιόχειρο Supercoiling), το solenoidal Supercoiling χαρακτηρίζεται από σφιχτές αριστερές στροφές. Ανεξάρτητα από το ότι οι δομές τους είναι δραστικά διαφορετικές μεταξύ τους, οι σωληνοειδείς και οι πλεκτονιμικές είναι δύο τύποι αρνητικών υπερσκληρώσεων που μπορεί να καταλάβει ένα παρόμοιο τμήμα του υποκείμενου DNA.

Οι δύο δομές είναι συχνά αλληλένδετες. Ωστόσο, η πλεκτωνιμική δομή είναι πιο σταθερή. Όμως, η ηλεκτρομαγνητική δομή σταθεροποιείται συχνά με δέσμευση πρωτεϊνών, η οποία είναι η δομή που βρίσκεται στη χρωματίνη. Δίνει πολύ υψηλότερο επίπεδο συμπύκνωσης. Στο Solenoidal Supercoiling, το underwinding συμβάλλει στη συμπύκνωση του DNA.

συμπεράσματα

Σε αυτό το άρθρο είχαμε μια εις βάθος συζήτηση σχετικά με τον μηχανισμό υπερσυσχέτισης του DNA και τα ένζυμα και τις πρωτεΐνες που εμπλέκονται στη διαδικασία υπερσυστρώματος. Θα συνεχίσουμε να συζητάμε για περισσότερες πτυχές του DNA στις επόμενες δημοσιεύσεις. Για να μάθετε για τη σύνθεση του DNA Κάνε κλικ εδώ

Συνέντευξη Ε & Α

Ε1 Γιατί είναι σημαντικό το θετικό Supercoiling;

Απάντηση: Το θετικό υπερ-περιέλιγμα του DNA διευκολύνει το ξετύλιγμα του DNA από τις ιστόνες και μεταβάλλει τη δομή νουκλεοσωμάτων in vitro. Αντίθετα, τα νουκλεοσώματα σχηματίζουν γρήγορα αρνητικό DNA υπερ-κουλουριασμένο. Έτσι, θεωρείται ότι σε κάθε περίπτωση μεταγραφής, το θετικό Supercoiling ωθείται μετά την πολυμεράση RNA. Το συσσωρευμένο θετικό στρεπτικό στρες προκαλεί αλλαγές στα νουκλεοσώματα και κάνει συνθήκες στις οποίες η πολυμεράση μεταγράφει αποτελεσματικά ολόκληρη τη νουκλεοσωμική σειρά.

Ε2 Το Supercoiling είναι καλό ή κακό;

Απάντηση: Το Supercoiling του DNA είναι σημαντικό δεδομένου ότι το DNA είναι ένα πολύ μακρύ μόριο και πρέπει να ταιριάζει σε ένα κελί με ακτίνα της τάξης των μικρομέτρων. Απαιτείται επαναλαμβανόμενος βρόχος μέσα σε βρόχους περιέλιξης για να χωρέσει, αυτός ο τύπος περιέλιξης είναι γνωστός ως Supercoiling. Ρυθμίζει επίσης τη διαδικασία μεταγραφής και αναπαραγωγής. 

Q3 Πώς αυξάνεται το θετικό Supercoiling του DNA;

Απάντηση: Η θετική υπερσυσχέτιση του DNA συμβαίνει όταν η δεξιά διπλή έλικα του DNA κάμπτεται πολύ πιο σφιχτά (παραμορφωμένη σε δεξιό σχέδιο) έως ότου η έλικα αρχίσει να δένεται.

Q4 Αρνητικό υπερ-συμπύκνωση σε βακτήρια

Απάντηση: Το βακτηριακό DNA εμφανίζει γενικά αρνητικό υπερκάλυψη σε βακτηριακά κύτταρα καθώς περιέχει έλλειψη ελικοειδών στροφών. Στη δομή του B-DNA, οι κλώνοι της διπλής έλικας DNA κάνουν μια πλήρη στροφή μετά από κάθε 10.5 ζεύγη βάσεων. Η αύξηση του αριθμού των στροφών καθιστά το διπλό έλικα του DNA πιο σφιχτό και έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργεί στρες λόγω του αξονικού πηνίου στη διπλή έλικα του DNA. Η εξάλειψη των στροφών μέσω της ανατροπής της διπλής όψης έχει το αντίθετο αντίκτυπο, καθιστώντας το διπλό στύψιμο αρνητικά.

Ε5 Γιατί είναι σημαντικό το αρνητικό Supercoiling;

Απάντηση: Το αρνητικό Supercoiling έχει μια σημαντική φυσική λειτουργία του διαχωρισμού κλώνου του DNA κατά την αντιγραφή και τη μεταγραφή. Ο διαχωρισμός κλώνου μειώνει το στρεπτικό στρες στο αρνητικό υπερσυσσωματωμένο DNA. Με αυτόν τον τρόπο, είναι ενεργειακά λιγότερο δαπανηρό να διαχωριστούν οι κλώνοι σε αρνητικό υπερπυκρωμένο DNA από ότι στο χαλαρό DNA, και η διαφορά στην ενέργεια παρέχεται από τη χαλάρωση του DNA.

Ε6 Γιατί το θετικό υπερκάλυμμα DNA καθιστά το DNA πιο σταθερό σε υψηλές θερμοκρασίες;

Απάντηση: Το θετικό υπερκάλυμμα DNA αυξάνει τον αριθμό των συνδέσμων μεταξύ δύο κλώνων DNA. Μια διαμόρφωση που δίνει αντίσταση κατά της μετουσίωσης που προκαλείται από τη θερμότητα στη διπλή έλικα του DNA την καθιστά σταθερή υπό υπερθερμοφιλικές συνθήκες. Τα πλασμίδια που απομονώθηκαν από το βακτήριο που ζουν υπό υπερθερμοφιλικές συνθήκες παρουσίασαν υψηλότερο αριθμό σύνδεσης σε σύγκριση με τα πλασμίδια που απομονώθηκαν από βακτήριο που δεν ζουν υπό αυτές τις συνθήκες.

Ε7 Γιατί το πλασμιδικό DNA του supercoil μεταναστεύει μέσω αγαρόζης με τη μικρότερη αντίσταση σε σύγκριση με την άλλη μορφή ex γραμμική;

Απάντηση: Λόγω της υπερ-τυλιγμένης φύσης του, τα θραύσματα DNA γίνονται μικρότερα σε μέγεθος και επομένως αντιμετωπίζουν λιγότερη τριβή απόφραξη από το πήκτωμα - αυτό έχει ως αποτέλεσμα η κίνηση αυτής της μορφής DNA να είναι ταχύτερη από άλλες μορφές.

Ε8 Ποια είναι η διαφορά μεταξύ του περιορισμένου και του μη περιορισμένου υπερσυστρώματος DNA;

Απάντηση: Η λέξη «χωρίς περιορισμούς» χρησιμοποιείται για να απεικονίσει το Supercoiling σε «ελεύθερο» DNA λόγω τοπολογικής καταπόνησης. Δεν υποστηρίζεται ή βασίζεται σε πρωτεΐνες, για ό, τι αξίζει στα ευκαρυωτικά, όπου περίπου 147 ζεύγη βάσεων DNA είναι κυρτωμένα γύρω από το νουκλεοσώμα, το οποίο είναι ουσιαστικά ένα οκταμερές ιστόνης κατασκευασμένο από 2 μονάδες ιστόνες H2A, H2B, H3 και H4. Αυτός ο τύπος Supercoiling ταξινομείται ως «περιορισμένος» επειδή η δομή του νουκλεοσώματος τον περιορίζει.

Ε9 Ποιο ένζυμο βοηθά στην κοπή ενός κλώνου διπλού DNA για την απελευθέρωση του πηνίου δύο κλώνων;

Απάντηση: Η τοποϊσομεράση κάνει κοπή στο σκέλος και απελευθερώνει το πηνίο. Οι τοποϊσομεράσες τύπου Ι σπάζουν ένα σκέλος από το διπλό ελικοειδές DNA. Περνάει τον αδιάσπαστο κλώνο DNA μέσω του κενού και συνδέει το σπασμένο άκρο. Η τοποϊσομεράση τύπου Ι επιφέρει μια αλλαγή στο Lk με την αύξηση του 1. Οι τοποϊσομεράσες τύπου II σπάζουν και τα δύο σκέλη της διπλής ελικοειδούς διπλής έλικας DNA και αλλάζουν το Lk με την αύξηση του 2.

Ε10 Τα βακτηριακά πλασμίδια είναι στρογγυλά ή είναι υπερσυσκευασμένα;

Απάντηση: Σε πολλά είδη, το βακτηριακό DNA είναι κυκλικό και επικαλύπτεται αρνητικά. Ένα πλασμίδιο που καθαρίζεται από το Escherichia coli στη φάση της μεσαίας ανάπτυξης (εκθετική) υπερκαλύπτεται στον βαθμό σ = 0.06. Μέσα στο κελί, το μη περιορισμένο Supercoiling είναι περίπου το ήμισυ αυτής της τιμής.

Σχετικά με τον Δρ. Abdullah Arsalan

Είμαι ο Αμπντουλάχ Αρσλάν, Ολοκλήρωσε το διδακτορικό μου στη Βιοτεχνολογία. Έχω 7 χρόνια ερευνητικής εμπειρίας. Έχω δημοσιεύσει έως τώρα 6 δημοσιεύσεις στα περιοδικά διεθνούς φήμης με μέσο συντελεστή αντίκτυπου 4.5 και λίγα ακόμη είναι υπό εξέταση. Έχω παρουσιάσει ερευνητικές εργασίες σε διάφορα εθνικά και διεθνή συνέδρια. Το αντικείμενο που ενδιαφέρομαι είναι η βιοτεχνολογία και η βιοχημεία με ιδιαίτερη έμφαση στη χημεία πρωτεϊνών, την ενζυμολογία, την ανοσολογία, τις βιοφυσικές τεχνικές και τη μοριακή βιολογία.

Ας συνδεθούμε μέσω του LinkedIn (https://www.linkedin.com/in/abdullah-arsalan-a97a0a88/) ή του μελετητή Google (https://scholar.google.co.in/citations?user=AeZVWO4AAAAJ&hl=el).

Αφήστε ένα σχόλιο

Η διεύθυνση email σας δεν θα δημοσιευθεί. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται *

Lambda Geeks