Kondenzace DNA - DNA condensation

Pyrofosfátová odstupující skupina v kondenzační reakci za vzniku polymeru ribóza-fosfát. Kondenzace adeninu a guaninu tvoří fosfodiesterovou vazbu, základ páteře nukleové kyseliny.

Kondenzace DNA odkazuje na proces zhutňování DNA molekuly in vitro nebo in vivo.[1] Mechanické podrobnosti balení DNA jsou nezbytné pro jeho fungování v procesu genová regulace v živých systémech. Kondenzovaná DNA má často překvapivé vlastnosti, které by člověk nepředpověděl z klasických konceptů zředěných roztoků. Proto kondenzace DNA in vitro slouží jako modelový systém pro mnoho procesů fyzika, biochemie a biologie.[2] Kondenzace DNA má navíc mnoho potenciálních aplikací v lék a biotechnologie.[1]

Průměr DNA je asi 2 nm, zatímco délka natažené jednotlivé molekuly může být až několik desítek centimetrů v závislosti na organismu. Mnoho vlastností dvojité šroubovice DNA přispívá k její velké tuhosti, včetně mechanických vlastností páteře cukr-fosfát, elektrostatického odpuzování mezi fosfáty (DNA nese v průměru jeden základní záporný náboj na každých 0,17 nm dvojitá spirála ), skládání interakcí mezi bázemi každého jednotlivého vlákna a interakce mezi vlákny. DNA je jedním z nejtvrdších přírodních polymerů, přesto je také jednou z nejdelších molekul. To znamená, že na velké vzdálenosti lze DNA považovat za pružné lano a v krátkém měřítku za tuhou tyč. Stejně jako zahradní hadice by nebalená DNA náhodně zabírala mnohem větší objem, než když je řádně zabalená. Matematicky by pro neinteragující flexibilní řetězec náhodně difundující ve 3D byla vzdálenost mezi konci měřítkem jako druhá odmocnina délky polymeru. U skutečných polymerů, jako je DNA, to dává jen velmi hrubý odhad; důležité je, že je k dispozici prostor pro DNA in vivo je mnohem menší než prostor, který by zabíral v případě volné difúze v roztoku. Aby se vyrovnala s objemovými omezeními, může se DNA za pomoci iontů a dalších molekul zabalit do vhodných podmínek řešení. Kondenzace DNA je obvykle definována jako „kolaps prodloužených řetězců DNA na kompaktní řádné částice obsahující pouze jednu nebo několik molekul“.[3] Tato definice se vztahuje na mnoho situací in vitro a je také blízká definici kondenzace DNA v bakteriích jako „přijetí relativně koncentrovaného kompaktního stavu zabírajícího zlomek dostupného objemu“.[4] v eukaryoty, velikost DNA a počet dalších zúčastněných hráčů jsou mnohem větší a molekula DNA tvoří miliony uspořádaných nukleoprotein částice, nukleosomy, což je jen první z mnoha úrovní balení DNA.[1]

V životě

Ve virech

v viry a bakteriofágy, DNA nebo RNA je obklopena proteinem kapsid, někdy dále obalené lipidem membrána. Dvouvláknová DNA je uložena uvnitř kapsidy ve formě cívky, která může mít různé typy navíjení vedoucí k různým typům tekutý krystal balení. Toto balení se může změnit šestihranný na cholesterický na izotropní v různých fázích fungování fága. Ačkoli jsou dvojité šroubovice vždy lokálně zarovnané, DNA uvnitř virů nepředstavuje skutečnou tekuté krystaly, protože mu chybí tekutost. Na druhou stranu DNA kondenzovala in vitronapř. pomocí polyaminů přítomných také ve virech je lokálně uspořádaný a tekutý.[1]

V bakteriích

Základní jednotky genomové organizace v bakteriích a eukaryotech.
Hlavní článek: Nucleoid § Kondenzace a organizace

Bakteriální DNA je zabalena pomocí polyaminy a proteiny proteiny spojené s nukleoidy. DNA spojená s proteinem zabírá asi 1/4 intracelulárního objemu a tvoří koncentrovanou viskózní fázi s tekutými krystalickými vlastnostmi, která se nazývá nukleoid. Podobné balení DNA existuje také v chloroplasty a mitochondrie. Bakteriální DNA se někdy označuje jako bakteriální chromozom. Bakteriální nukleoid evoluční představuje přechodné technické řešení mezi bezproteinovým obalem DNA ve virech a proteinem určeným obalem v eukaryotech.[1]

Sesterské chromozomy v bakterii Escherichia coli jsou stresovými podmínkami indukovány ke kondenzaci a párování.[5] Kondenzace vyvolaná stresem nastává náhodnou konvergencí sesterských chromozomů podobnou zipu. Zdá se, že tato konvergence závisí na schopnosti identických dvouvláknových řetězců DNA molekuly, aby se navzájem specificky identifikovaly, což je proces, který vrcholí v blízkosti homologních míst podél spárovaných chromozomů. Zdá se, že různé stresové podmínky přinášejí bakteriím schopnost účinně se vypořádat s těžkými Poškození DNA jako jsou dvouvláknové zlomy. Apozice homologních míst spojených se stresem indukovanou kondenzací chromozomů pomáhá vysvětlit, jak dochází k opravám dvouřetězcových zlomů a dalších škod.[5]

U eukaryot

Různé úrovně kondenzace DNA u eukaryot. (1) Jedno vlákno DNA. (2) Chromatin řetězec (DNA s histony). (3) Chromatin během mezifáze s centroméra. (4) Dvě kopie kondenzovaného chromatinu společně během profáze. (5) Chromozom během metafáze.
Hlavní článek: chromatin

Eukaryotická DNA s typickou délkou desítek centimetrů by měla být řádně zabalena, aby byla snadno přístupná uvnitř jádra o velikosti mikrometrů. U většiny eukaryot je DNA uspořádána v buněčném jádru pomocí histonů. V tomto případě je základní úrovní zhutnění DNA nukleosom, kde je dvojitá šroubovice omotána kolem histonového oktameru obsahujícího dvě kopie každého histon H2A, H2B, H3 a H4. Linker histon H1 váže DNA mezi nukleosomy a usnadňuje sbalení 10nm "kuliček na řetězci" nukleosomálního řetězce do kondenzovanějšího 30nm vlákna. Většinu času, mezi buněčnými děleními, chromatin je optimalizován tak, aby umožňoval snadný přístup k aktivním transkripčním faktorům geny, které se vyznačují méně kompaktní strukturou zvanou euchromatin a zmírnit přístup k proteinům v těsněji zabalených oblastech zvaných heterochromatin. Během buněčného dělení se zhutňování chromatinu ještě zvyšuje chromozomy, který se dokáže vyrovnat s velkými mechanickými silami, které je táhnou do každé ze dvou dceřiných buněk.[1] Mnoho aspektů transkripce je řízeno chemickou modifikací na histonových proteinech, známých jako histonový kód.

Chromozomové lešení hraje důležitou roli při udržování chromatinu na kompaktním chromozomu. Chromozomové lešení je vyrobeno z bílkovin včetně kondenzin, topoizomeráza IIα a člen rodiny kinesinů 4 (KIF4)[6]

Dinoflageláty jsou velmi odlišné eukaryoty, pokud jde o to, jak sbalí svou DNA. Jejich chromozomy jsou zabaleny v kapalně krystalickém stavu.[7] Ztratili mnoho konzervovaných histonových genů, většinou pomocí dinoflagelátové virové nukleoproteiny (DVNP) nebo odvozené od bakterií dinoflagelátové proteiny podobné histonu (HLP) pro balení místo. Není známo, jak řídí přístup k genům; ti, kteří si zachovávají histon, mají speciální histonový kód.[8][9]

V archaei

V závislosti na organismu může archeolog k balení použít HU systém podobný bakteriím nebo nukleosomový systém podobný eukaryotům.[10]

In vitro

Lze vyvolat kondenzaci DNA in vitro buď působením vnější síly, aby se spojily dvojité šroubovice, nebo indukcí atraktivních interakcí mezi segmenty DNA. Prvního lze dosáhnout např. pomocí osmotického tlaku vyvíjeného shlukováním neutrálních polymerů v přítomnosti jednomocných solí. V tomto případě síly, které tlačí dvojité šroubovice dohromady, pocházejí z entropických náhodných srážek s přeplněnými polymery obklopujícími DNA kondenzáty a k neutralizaci nábojů DNA a snížení odpuzování DNA je zapotřebí soli. Druhá možnost může být realizována indukcí atraktivních interakcí mezi segmenty DNA multivalentními kationtově nabitými ligandy (multivalentní ionty kovů anorganické kationty, polyaminy, protaminy, peptidy, lipidy, liposomy a bílkoviny ).[1]

Fyzika

Kondenzace dlouhých dvojitých šroubovicových DNA je prudká fázový přechod, ke kterému dochází v úzkém intervalu koncentrací kondenzačního činidla. [ref] Jelikož se dvojité šroubovice v kondenzované fázi k sobě velmi těsně přibližují, vede to k restrukturalizaci molekul vody, což vede k tzv. hydratační síly [Ref] Abychom pochopili přitažlivost mezi negativně nabitými molekulami DNA, musíme si také uvědomit korelace mezi protiionty v roztoku. [ref] Kondenzace DNA proteiny může vykazovat hysterezi, kterou lze vysvětlit pomocí modifikovaného Isingův model.[11]

Role v regulaci genů

V dnešní době jsou popisy genové regulace založeny na aproximacích rovnovážná vazba v zředěné roztoky, i když je zřejmé, že tyto předpoklady jsou ve skutečnosti porušeny chromatin. Aproximace zředěného roztoku je porušena ze dvou důvodů. Zaprvé obsah chromatinu zdaleka není zředěný a zadruhé jsou počty zúčastněných molekul někdy tak malé, že nemá smysl hovořit o objemových koncentracích. Další rozdíly od zředěných roztoků vznikají v důsledku různých vazebných afinit proteinů ke kondenzované a nekondenzované DNA. V kondenzované DNA lze tedy změnit obě reakční rychlosti a jejich závislost na koncentracích reaktantů může být nelineární.[1]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E F G h Teif, VB; Bohinc, K (2011). "Kondenzovaná DNA: kondenzace konceptů". Pokrok v biofyzice a molekulární biologii. 105 (3): 208–22. doi:10.1016 / j.pbiomolbio.2010.07.002. PMID  20638406.
  2. ^ Bloomfield, VA (1996). "Kondenzace DNA". Aktuální názor na strukturní biologii. 6 (3): 334–41. doi:10.1016 / S0959-440X (96) 80052-2. PMID  8804837.
  3. ^ Bloomfield, VA (1997). "Kondenzace DNA multivalentními kationty". Biopolymery. 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. PMID  9591479.
  4. ^ Zimmerman, SB; Murphy, LD (1996). "Makromolekulární shlukování a povinná kondenzace DNA v bakteriích". FEBS Dopisy. 390 (3): 245–8. doi:10.1016/0014-5793(96)00725-9. PMID  8706869.
  5. ^ A b Shechter N, Zaltzman L, Weiner A, Brumfeld V, Shimoni E, Fridmann-Sirkis Y, Minsky A (2013). „Stresem indukovaná kondenzace bakteriálních genomů má za následek opětovné párování sesterských chromozomů: důsledky pro opravu zlomení dvouřetězcové DNA“. J. Biol. Chem. 288 (35): 25659–67. doi:10.1074 / jbc.M113.473025. PMC  3757227. PMID  23884460.
  6. ^ Chromosome Scaffold is a Double-Stranded Assembly of Scaffold Proteins, by Poonperm et al, Vědecká zpráva o přírodě s
  7. ^ Chow, MH; Yan, KTH; Bennett, MJ; Wong, JTY (2010). „Birefringence a kondenzace DNA kapalných krystalických chromozomů“. Eukaryotická buňka. 9 (10): 1577–87. doi:10.1128 / EC.00026-10. PMC  2950428. PMID  20400466.
  8. ^ Marinov GK, Lynch M (2016). "Rozmanitost a divergence dinoflagelátových histonových proteinů". G3 (Bethesda). 6 (2): 397–422. doi:10,1534 / g3,115,023275. PMC  4751559. PMID  26646152.
  9. ^ Riaz, S; Sui, Z; Niaz, Z; Khan, S; Liu, Y; Liu, H (14. prosince 2018). „Výrazné jaderné vlastnosti dinoflagelátů se zvláštním zaměřením na histon a proteiny nahrazující histon“. Mikroorganismy. 6 (4): 128. doi:10,3390 / mikroorganismy6040128. PMC  6313786. PMID  30558155.
  10. ^ Luijsterburg, Martijn S .; White, Malcolm F .; van Driel, Roel; Dame, Remus Th. (8. ledna 2009). „Hlavní architekti chromatinu: architektonické proteiny v bakteriích, archaeách a eukaryotech“. Kritické recenze v biochemii a molekulární biologii. 43 (6): 393–418. doi:10.1080/10409230802528488. PMID  19037758.
  11. ^ Vtyurina, Natalia N .; Dulin, David; Docter, Margreet W .; Meyer, Anne S .; Dekker, Nynke H .; Abbondanzieri, Elio A. (2016-04-18). „Hystereze v zhutnění DNA pomocí Dps je popsána Isingovým modelem“. Sborník Národní akademie věd. 113 (18): 4982–4987. Bibcode:2016PNAS..113.4982V. doi:10.1073 / pnas.1521241113. ISSN  0027-8424. PMC  4983820. PMID  27091987.

Další čtení