Биологический каталог




Принципы структурной организации нуклеиновых кислот

Автор В.Зенгер

тре спирали, скрепляя ее структуру, которая иначе была бы довольно рыхлой. Спираль может быть как правой, так и левой (на рисунке показана левая спираль) и не обязательно строго регулярной. Наружный диаметр соленоида равен 250-300 А, шаг ПО А (об альтернативной модели см. в тексте).

480

Глава 19

располагаются вдоль молекулы ДНК примерно через каждые 200 пар оснований, однако теперь они не имеют такой регулярной структуры и точки «входа» и «выхода» ДНК располагаются не с одной, а с противоположных сторон нуклеосомы. При ионной силе выше 40 мМ NaCl такой хроматин образует уже не спиральную структуру, изображенную на рис. 19.8, а клубки неправильной формы. Таким образом, гистон HI играет важную структурную роль и необходим для упаковки хроматина в структуры с более высоким уровнем организации.

Нуклеосомная нить и волокно диаметром 100 А. Низкий уровень структурной организации. Если интактный хроматин, содержащий все гистоны, поместить в раствор с низкой концентрацией соли (~ 1 мМ NaCl), он образует развернутую структуру с хорошо различимыми ну-клеосомами, у которых точки «входа» и «выхода» ДНК практически совпадают. Диаметр такой структуры равен 100 А, и она называется ну-клеосомной нитью [1341]. При увеличении ионной силы до 100 мМ NaCl длина спейсерных, или линкерных участков ДНК между нуклеосо-мами уменьшается, и это приводит к образованию более плотной конфигурации, в которой нуклеосомы уложены в зигзагообразную структуру. Такую форму обычно называют единичным волокном или волокном-100 А (рис. 19.9).

Структура «соленоида» стабилизируется с помощью взаимодействия между гистонами HI. При дальнейшем увеличении ионной силы или при добавлении небольшого количества двухвалентных катионов (Mg2 +) единичные волокна образуют еще более плотную структуру-волокна диаметром 250 А. Для описания молекулярной архитектуры этих волокон было предложено несколько моделей. Мы рассмотрим только две из них. Согласно одной модели, основанной на электронно-микроскопических исследованиях, волокна-ЮОА сворачиваются в спиральную структуру, у которой-в зависимости от концентрации соли в растворе-на виток приходится от 3 до 6 нуклеосом (рис. 19.8). Общий диаметр такого соленоида [1342], или суперсверхспирали [1343], составляет 250-300 А, а высота витка 110 А. Знак спирали не обязательно фиксирован; она может быть как правой, так и левой. В частности, на рис. 19.8 приведена левая спираль.

Важной особенностью этой модели, а также других моделей, аналогичных данной и предложенных независимо [1343], является то обстоятельство, что нуклеосомы в волокне располагаются так, что гистоны HI оказываются локализованными в центре соленоида и, следовательно, находятся в тесном контакте друг с другом. Это согласуется с результатами экспериментов по сшиванию, в которых наблюдается образование гомополимеров из гистонов HI [1344, 1345]. Основной вклад в стабилизацию соленоида, очевидно, вносит взаимодействие гистонов HI, а не специфические контакты между нуклеосомами; в противном случае такие контакты в строго эквивалентных участках нуклеосом должны были бы привести к образованию из нуклеосом регулярной квазикристаллической спиральной структуры, чего на самом деле нет. Совершенно оче-

Более высокие уровни структурной организации ДНК

481

"Рис. 19.9. Схематическое изображение последовательных уровней структурной организации ДНК в высококонденсированном хроматине [1332]. (1) ДНК, прикрепленная к белковой сердцевине (см. также рис. 1.5). (2) Добавление гистонов Н2А, Н2В, НЗ и Н4 приводит к образованию довольно рыхлой, но тем не менее конденсированной зигзагообразной структуры, которая при связывании с гисто-ном HI образует волокна диаметром 100 А. (3) Такие волокна (они показаны также в нижней части рисунка 19.8) образуются при низкой ионной силе. При увеличении ионной силы образуются «соленоиды», или «суперсверхспирали», диаметром 250-300 А (4); они могут компактизоваться и дальше, образуя жгуты Диаметром 600 А (5).

видно также, что спейсерные участки, соединяющие нуклеосомы, не оказывают заметного влияния на стабилизацию соленоида, поскольку такая же структура образуется и из изолированных нуклеосомных частиц [1342, 1346].

I В другой, более поздней модели предполагается, что повторяющейся единицей в структуре волокна диаметром 250 А является не нуклеосома, а димер из двух зигзагообразно уложенных элементов волокна-100 А. При закручивании этого волокна вокруг оси образуется цилиндрическая спираль диаметром 250-300 А, в центре которой располагается спейсер-'ная ДНК в конденсированной форме [1347]. На боковой поверхности этой спирали имеется желобок, способный разместить гистон HI, который в данном случае также будет стабилизировать общую структуру.

31-509

482

Глава 19

Хотя обе модели волокна диаметром 250 А приписывают ему в целом сходную, спиральную структуру, они тем не менее предполагают совершенно разное расположение гистона HI-в центре соленоида или на поверхности закрученного в спираль волокна-100 А. В настоящее время трудно решить, какая из этих моделей справедлива, поскольку прямые экспериментальные данные о локализации гистона HI в волокне отсутствуют.

19.6. ОРГАНИЗАЦИЯ ХРОМАТИНА В ХРОМОСОМЕ; ТРАНСКРИПЦИЯ

Формы структурной организации хроматина, схематически показанные на рис. 19.9, являются лишь частью общей картины структурного устройства хромосомы. В хромосомах хроматин прикреплен к белковому каркасу, который образует центральную часть структуры. Если удалить из хромосомы все гистоны, то под электронным микроскопом вокруг белкового каркаса будет виден «ореол» из ~4000 петель ДНК длиной от 40000 до 90000 пар оснований каждая (см. рис. 1.5) [1322, 1348].

По мере усложнения системы ДНК сначала связывается с гистона-ми, образуя хроматин в виде нитки бус. Затем происходит процесс ком-пактизации хроматина-образование волокон-100 А, волокон-300 А (соленоидов) и еще более сложных, по-видимому, также спиральных структур (рис. 19.9). Степень компактизации ДНК в хромосоме достигает 5000-8000 [1322], а по некоторым оценкам даже 250000 [1327].

Как происходит транскрипция? В настоящее время об этом процессе известно далеко не все. Одна из чисто гипотетических моделей транскрипции показана на рис. 19.10. В результате локального раскручивания соленоидальной структуры высвобождаются содержащие гистон HI неактивные нуклеосомы. После удаления гистонов HI и связывания с белками HMG (high-motility-group) нуклеосомы становятся активными, разворачиваются (при этом остальные гистоны остаются связанными с ДНК и расположены вдоль нее в соответствующем порядке) и цепи ДНК временно расходятся. Некодирующая цепь ДНК по-прежнему связана с гистонами и белками HMG и не участвует в процессе транскрипции, тогда как комплементарная ей цепь транскрибируется РНК-полимеразным комплексом.

На новосинтезированной РНК сразу же формируются короткие спирали (вторичная структура) и происходит связывание РНК со структурными белками с образованием гетероядерного РНК-белкового комплекса, в котором РНК защищена от нуклеазного расщепления. Такой процесс происходит не на одном, а одновременно на многих участках хромосомы, и, таким образом, информация, содержащаяся в ДНК, быстро транскрибируется, после чего образовавшиеся молекулы мРНК подвергаются процессингу (сплайсингу) и транслируются на рибосомах [1349].

Более высокие уровни структурной организации ДНК

483

Гистоновый кор

Неактивные нуклеосомы

Рис. 19 10 Схематическое изображение транскрипции (описание см. в тексте) [1322].

19.7. ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАМКНУТЫХ СВЕРХСПИРАЛЬНЫХ ДНК

-

Л п<

сс Щ

Э1

ж

31

верхспиралыгая ДНК-биологически активная форма молекулы [1349а]. Линейная двухцепочечная ДНК в растворе или волокне находится в топологически релаксированном состоянии. В этом состоянии она либо совсем неактивна, либо проявляет пониженную активность в таких процессах, как репликация, транскрипция и рекомбинация. Для того чтобы эти процессы протекали с нормальной скоростью, нужна ДНК в напряженном, сверхспиральном состоянии с более или менее детерминиро-

484

Глава 19

ванной пространственной структурой [1350-1354]. Наличие сверхспира-лизации ДНК означает, что мы имеем дело с кольцевой замкнутой формой ДНК, причем под замыканием в кольцо в данном случае подразумевается не обязательно образование «сшивки» между 3'- и 5'-кон-цами обеих цепей ДНК, как это имеет место у бактериальных и мито-хондриальных плазмид [1349а], но и фиксация концов ДНК, например на хромосомном белковом каркасе у эукариот (разд. 19.5; рис. 1.5 и 19.9), или просто ограничение свободы вращения концов молекулы (в случае очень длинной двухцепочечной ДНК).

Что такое сверхспиральная ДНК? Если молекулу ДНК в обычной релаксированной В-форме замкнуть в кольцо, от этого она еще не станет сверхспиральной. Представим себе теперь, что перед тем, как замкнуть ее в кольцо и сшить концы друг с другом, мы слегка раскрутили двойную спираль, а после сшивания предоставили ей полную возможность вновь образовать нормальную В-форму. Молекула будет стремиться скомпенсировать предыдущее раскручивание. Однако наша ДНК представляет собой кольцевую замкнутую молекулу, поэтому то напряжение, которое мы ввели в нее, раскрутив двойную спираль, будет компенсироваться закручиванием кольца в сверхспиральную структуру, т.е. сверхспирализацией. Если до сшивания концов молекула была раскручена, говорят об отрицательной сверхспирализации, хотя сверхспираль будет правой (рис. 19.11). Обычно наблюдается именно такая сверхспирализация. При интеркаляции лекарственных препаратов в кольцевую ДНК возникает положительная сверхспирализация и образуется левая сверхспираль, как должно было бы произойти, если бы ДНК перед замыканием в кольцо иерекрутили (рис 16.3).

Сверхспирализацию ДНК регулируют особые ферменты-топоизоме-разы. Эти ферменты были названы так потому, что они переводят ДНК из одной топологической формы в другую с перестройкой общей пространственной геометрии ДНК [1350-1358]. И у эукариот, и у прокариот были обнаружены топоизомеразы I-ферменты, снимающие сверхспирализацию без помощи АТР или других источников энергии. Эти ферменты иногда называют также свивелазами, ДНК-раскручиваю-шими или ДНК-релаксируюшими ферментами, N/C-ферментами (от англ. nicking-closing) или ю-белком (в Е. coli [1356]). Они разрезают одну из цепей сверхспиральной двухцепочечной ДНК, поворачивают ее вокруг второй цепи и затем вновь сшивают, используя для этого процесса энергию сверхспирализации ДНК.

Обратный процесс-сверхспирализация релаксированной ДНК в клетках прокариот и эукариот-осуществляется ферментами, которые называют гиразами или топоизомеразами II [1357, 1358]. Субстратом для них служит обычная двухцепочечная ДНК. Фермент закручивает двойную спираль ДНК до тех пор, пока не будет достигнута нужная степень сверхспирализации-обычно это величина порядка одного отрицательного сверхвитка (т.е. один оборот правой сверхспирали) на ~ 15 витков двойной спирали В-ДНК [1354, 1358]. Такая изомеризация ДНК (ее механизм обсуждается в работе [1358]) требует энергетических за-

Более высокие уровни структурной организации ДНК

485

.Рис. 19.11. Взаимосвязь между порядком зацепления Lk, кручением Tw и рай-рингом WT. Одна из цепей ненапряженной релаксированной ДНК в В-форме /длиной 420 пар оснований) делает 42 оборота вокруг второй цепи: Lk = Tw = 42, tWt = 0 (вверху). Если теперь левый конец молекулы закрепить, а правый вращать, как показано на рисунке, чтобы он сделал 6 оборотов (двойная спираль |рри этом частично расплетается), то Lk и Tw уменьшатся до 36. Эту ДНК можно опять замкнуть в кольцо так, что будет соблюдаться условие Lk = Tw = 36, I Wt = 0. Однако у такой молекулы пары оснований, составляющие 6 витков ¦войной спирали, должны быть разрушены. Поскольку ДНК стремится остаться в В-форме, на самом деле Tw увеличится до исходного значения (что соответствует 420 парам оснований), а порядок зацепления, который является топологическим инвариантом, останется равным 36. Таким образом, чтобы выполнялось Уравнение (19.1), должен измениться параметр 1Уг-райзинг, т.е. теперь Wr = — 6, и это означает, что образовалась правая сверхспираль из 6 сверхвитков.

486

Глапа 19

трат, поэтому гираза для нормальной работы нуждается в АТР, а кроме того, в ионах Mg(II) и в спермине, стимулирующем эту реакцию.

Сверхспирализация как способ запасания энергии. Возможно, сверх-спирилизация ДНК нужна не только для того, чтобы придать молекуле форму, необходимую для взаимодействия с определенными белками, и не только для того, чтобы снять напряжение в репликационной вилке [1350]. Возможно, сверхспирализация представляет собой новый способ запасания энергии по аналогии с финансовым принципом [1358]: покупаем (используем энергию сверхспирализации) сейчас, платим (закручиваем ДНК в сверхспираль с использованием энергии АТР) потом. Продолжая аналогию, уместно задаться вопросом о валюте, которая используется в этих сделках. С одной стороны, мы имеем ATP/Mg(II), с другой-порядок зацепления сверхспиральной ДНК. Что же такое порядок зацепления?

Порядок зацепления, райзинг и кручение-параметры, позволяющие математически описывать сверхспиральное состояние. Для описания сверхскрученной замкнутой ленты математики вывели уравнение, которое применимо и для описания сверхспиральной ДНК [1359-1362].

В этом уравнении порядок зацепления (от англ. linking number) является целочисленным инвариантом для любых топологических состояний замкнутого кольца. В случае ДНК равно числу оборотов одной полинуклеотидной цепи вокруг другой; при этом правоспираль-ному кручению (как в двойной спирали ДНК) соответствуют положительные значения 1^, а левоспиральному-отрицательные. У релаксированной, ненапряженной кольцевой ДНК совпадает с величиной Tw (кручением ДНК), которая равна числу витков двойной спирали (рис. 19.11); при этом форма молекулы ДНК соответствует плоскому кольцу:

Lk = Tw.

Если бы двойная спираль ДНК обладала способностью отвечать на раскручивание (или закручивание) уменьшением (или увеличением) угла спирального вращения, это соотношение выполнялось бы всегда и явления сверхспирализации не возникало. Однако ДНК выгодно (при заданных условиях среды) оставаться в В-форме с числом пар на виток, равным 10,5; поэтому значение 7^, может меняться лишь в очень узких пределах; внесенное в порядок зацепления изменение может компенсироваться либо разрушением нескольких пар оснований (рис. 19.11), либо, что более вероятно, сверхспирализацией ДНК. Число витков в сверхспирали определяется райзингом Wr [1360], и три параметра-Lk, 7^, и Wr~ связаны соотношением

I* = Tw+4f. (19.1)

Как уже говорилось, является целочисленным инвариантом и, следовательно, не меняется, если кольцо ДНК остается замкнутым. Па-

Более высокие урони структурной организации ДНК

487

раметры Tw и WT могут принимать любые значения в зависимости от пространственной формы ДНК. Следует подчеркнуть, что по определению 1>к и Tw положительны в случае правых спиралей и отрицательны в случае левых, а райзинг Wr, наоборот, отрицателен

страница 58
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79

Скачать книгу "Принципы структурной организации нуклеиновых кислот" (9.68Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(22.09.2019)