ДНК: сверхспирализация и образование неканонических структур

В статье дан обзор работ по изучению влияния сверхспирализации на структуру и свойства ДНК. Показано, что под действием сверхспирализации в ДНК образуются три альтернативные, неканонические структуры: крестообразная, Z-форма и Н-форма (новая структура, возникающая в гомопурин-гомопиримидиновых после...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	1986
Автор:	Лазуркин, Ю.С.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 1986
Назва видання:	Биополимеры и клетка
Теми:	Обзоры
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/153428
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	ДНК: сверхспирализация и образование неканонических структур / Ю.С. Лазуркин // Биополимеры и клетка. — 1986. — Т. 2, № 6. — С. 283-292. — Бібліогр.: 42 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-153428
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1534282019-06-16T01:27:17Z ДНК: сверхспирализация и образование неканонических структур Лазуркин, Ю.С. Обзоры В статье дан обзор работ по изучению влияния сверхспирализации на структуру и свойства ДНК. Показано, что под действием сверхспирализации в ДНК образуются три альтернативные, неканонические структуры: крестообразная, Z-форма и Н-форма (новая структура, возникающая в гомопурин-гомопиримидиновых последовательностях). Убедительные доказательства образования этих структур in vitro получены в последние годы с помощью метода двухмерного гель-электрофореза. Их формирование в сверхспиральных ДНК тесно связано со специфическими белками, обусловливающими их стабилизацию. Эти белки, вероятно, играют важную роль в регуляции генной активности. Наведено огляд робіт з вивчення впливу надспіралізації на структуру і властивості ДНК. Показано, що під дією надспіралізації в ДНК утворюються три альтернативні, неканонічні структури: хрестоподібна, Z-форма і Н-форма (нова структура, що виникає в гомопурин-гомопіримідинових послідовностях). Переконливі докази утворення цих структур in vitro отримано останніми роками за допомогою методу двовимірного гель-електрофорезу. Їхнє формування у надспіральних ДНК тісно пов’язане зі специфічними білками, які зумовлюють їхню стабілізацію. Ці білки, ймовірно, відіграють важливу роль у регуляції генної активності. The effect of superhelicity of DNA on its structure and properties is reviewed. The superhelicity is shown to induce in the DNA double helix three alternative structures: cruciform, the Z form and the H form (a novel structure formed in homopurine-homopyrimidine tracts). Convincing evidence of these structures in vitro is obtained in recent years by the method of two-dimensional gel electrophoresis. Their occurrence in vivo is closely related to specific proteins which stabilize them. These proteins are believed to play an important role in regulation of the gene activity. 1986 Article ДНК: сверхспирализация и образование неканонических структур / Ю.С. Лазуркин // Биополимеры и клетка. — 1986. — Т. 2, № 6. — С. 283-292. — Бібліогр.: 42 назв. — рос. 0233-7657 DOI:http://dx.doi.org/10.7124/bc.0001C5 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/153428 577.214.6 ru Биополимеры и клетка Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Обзоры Обзоры
spellingShingle	Обзоры Обзоры Лазуркин, Ю.С. ДНК: сверхспирализация и образование неканонических структур Биополимеры и клетка
description	В статье дан обзор работ по изучению влияния сверхспирализации на структуру и свойства ДНК. Показано, что под действием сверхспирализации в ДНК образуются три альтернативные, неканонические структуры: крестообразная, Z-форма и Н-форма (новая структура, возникающая в гомопурин-гомопиримидиновых последовательностях). Убедительные доказательства образования этих структур in vitro получены в последние годы с помощью метода двухмерного гель-электрофореза. Их формирование в сверхспиральных ДНК тесно связано со специфическими белками, обусловливающими их стабилизацию. Эти белки, вероятно, играют важную роль в регуляции генной активности.
format	Article
author	Лазуркин, Ю.С.
author_facet	Лазуркин, Ю.С.
author_sort	Лазуркин, Ю.С.
title	ДНК: сверхспирализация и образование неканонических структур
title_short	ДНК: сверхспирализация и образование неканонических структур
title_full	ДНК: сверхспирализация и образование неканонических структур
title_fullStr	ДНК: сверхспирализация и образование неканонических структур
title_full_unstemmed	ДНК: сверхспирализация и образование неканонических структур
title_sort	днк: сверхспирализация и образование неканонических структур
publisher	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
publishDate	1986
topic_facet	Обзоры
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/153428
citation_txt	ДНК: сверхспирализация и образование неканонических структур / Ю.С. Лазуркин // Биополимеры и клетка. — 1986. — Т. 2, № 6. — С. 283-292. — Бібліогр.: 42 назв. — рос.
series	Биополимеры и клетка
work_keys_str_mv	AT lazurkinûs dnksverhspiralizaciâiobrazovanienekanoničeskihstruktur
first_indexed	2025-07-14T04:57:50Z
last_indexed	2025-07-14T04:57:50Z
_version_	1837597008944168960
fulltext	s Обзоры УДК 577.214.6 ДНК: СВЕРХСПИРАЛИЗАЦИЯ И ОБРАЗОВАНИЕ НЕКАНОНИЧЕСКИХ СТРУКТУР Ю. С. Лазуркин Д Н К в клетке функционирует в кольцевом замкнутом, отрицательно сверхспирализованном состоянии. Петли ДНК, наблюдаемые в хромосо- мах как эукариотических, так и прокариотических организмов и обу- словленные замыканием с помощью белков, топологически эквивалент- ны кольцевым ковалентно замкнутым молекулам. Сверхспирализация Д Н К выполняет важную биологическую роль как в прокариотических [1], так и эукариотических [2], клетках, существенно влияя на ход ос- новных генетических процессов, в частности на репликацию [1] и тран- скрипцию [1, 2]. Предположения о механизме этого влияния на первых порах были основаны на том, что сверхспирализация облегчает локаль- ное раскрытие двойной спирали, образование однонитевых участков В ДНК. Однако за последние годы положение в этой области существен- но изменилось. Было доказано, что под влиянием сверхспирализации в природных Д Н К могут образовываться также альтернативные, нека- нонические структуры, не существующие в несверхспирализованных Д Н К в физиологических условиях, такие, как кресты, левоспиральная Z-форма или недавно обнаруженная Η-форма. Естественно, что к этим структурам в настоящее время привлечено пристальное внимание и фи- зиков и биологов, высказываются многочисленные предположения об их биологической роли как сигналов, узнаваемых и используемых ре- гуляторными белками. В настоящем кратком обзоре мы сначала оста- новимся на некоторых аспектах сверхспирализации Д Н К как движущей силы формирования неканонических структур, а затем рассмотрим име- ющиеся данные о закономерностях образования конкретных неканониче- ских структур. Особые свойства сверхспиральных молекул ДНК. Сверхспирализа- ция является наиболее эффективным, а иногда и единственным факто- ром, вызывающим образование неканонических структур в ДНК. Здесь мы остановимся на некоторых аспектах этого вопроса (подробнее о сверхспирализации Д Н К см. [3]). Д Н К в сверхспиральном состоянии обладает повышенной свободной энергией, источником которой явля- ется гидролиз АТФ, происходящий при работе фермента ДНК-гиразы, создающего отрицательную сверхспирализацию. Именно эта энергия и может быть использована для образования различных неканонических структур, обладающих повышенной по сравнению с регулярной В-фор- мой энергией. Это, однако, могут быть только такие структуры, об- разование которых в некоторой области кольцевой замкнутой молеку- лы вызывает релаксацию напряжений в остальной части молекулы. При этом недокрутка двойной спирали локализуется в месте образования креста, Z-формы, локального расплетания и т. п., и энергия сверхспи- рализации уменьшается. Помимо того, что сверхспирализация является особой формой за- пасания энергии в молекуле — в виде энергии ее изгиба и круче- БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА, 1986, т. 2, № б 2 — 6-696 283 ния, необходимо отметить и вторую ее важную особенность, которая обеспечивает своеобразный механизм дальнодействия — передачу сиг- нала на неограниченное расстояние вдоль молекулярной цепочки. Дей- ствительно, если молекула сверхспирализована, то это сказывается на ее состоянии в любой точке. Нарушение целостности хотя бы од- ной из цепочек сразу снимает напряжение сверхспирализации во всей молекуле. Образование неканонической структуры или локальное рас- плетание двойной спирали в каком-либо месте молекулы сразу же ска- зывается на состоянии всей молекулы — в ней уменьшаются сверх- спиральные напряжения и падает вероятность образования других нека- нонических структур. При исчезновении неканонической структуры происходит обратный процесс — возрастание сверхспиральных напря- жений. Это означает, что особые, регуляторные последовательности в ДНК, взаимодействующие со специфическими белками, не обязательно должны быть расположены в непосредственной близости к местам, на которые они должны оказывать влияние. Например, энхансеры (усили- тели) транскрипции могут быть удалены на значительное расстояние от мест инициации транскрипции, что и имеет место в действитель- ности. В линейных молекулах Д Н К не существует механизмов для та- кой дальней передачи сигнала. Кроме того, изменение напряжений сверхспирализации в молеку- ле изменяет ее пространственную упаковку; при локальном образова- нии какой-либо неканонической структуры вся кольцевая замкнутая молекула становится менее компактной, ее электрофоретическая под- вижность в геле падает. На этом основан наиболее эффективный ме- тод исследования подобных переходов — метод двухмерного гель-элект- рофореза. Образование неканонических структур в Д Н К требует неко- торого достаточно высокого абсолютного значения плотности сверх- витков σ, характеризующей степень сверхспирализации. Помимо этого, каждая данная неканоническая структура может образоваться лишь в области, обладающей специфической нуклеотидной последователь- ностью. Кресты — лишь в области обращенных повторов — палиндро- мов; образование Z-формы наиболее вероятно в области альтернирую- щих пурин-пиримидиновых последовательностей, а Н-формы — в об- ласти гомопурин-гомопиримидиновых последовательностей. Крестообразные структуры. Практически во всех фаговых и плаз- мидных ДНК, для которых известна нуклеотидная последовательность, имеются палиндромы, необходимые для образования крестообразных структур. Пример такого природного палиндрома в линейной и кресто- образной формах приведен на рис. 1. В центре палиндрома обычно- имеется несколько оснований, не дающих комплементарного спари- вания и поэтому образующих петли в крестообразной форме (в дан- ном случае в каждую петлю входит пять оснований). Свободная энер- гия, необходимая для образования креста (считая, что он содержит шесть концов спиральных участков), может быть оценена как 3 F S + +νΔ/% где Fs — свободная энергия инициации раскрытой области, ν — число оснований в петле, AF — разность свободных энергий рас- крытой пары и пары, входящей в двойную спираль [4, 5]. Эта величи- на близка к 20 ккал/моль, поэтому вероятность образования креста независимо от его размеров в линейной несверхспиральной Д Н К ис- чезающе мала (~10~ 1 5 [5]). Однако простой расчет выигрыша в сво- бодной энергии сверхспирализации показал [6], что в сверхспираль- ной Д Н К достаточно протяженные палиндромы (длиной не менее ~ 2 0 пар нуклеотидов) могут образовывать кресты при реально наблюдаю- щихся значениях плотности сверхвитков. Статистико-термодинамическая теория этого явления позволила получить количественные предсказа- ния о зависимости вероятности образования креста от размеров палиндрома, плотности сверхвитков и температуры [5, 7, 8]. Эти пред- сказания были подтверждены на опыте [9, 10]. Кресты были обнару- жены в фаговых и плазмидных Д Н К с помощью эндонуклеазы S1, спе- цифичной к однонитевым участкам ДНК. Гидролиз происходил в цент- 284 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА, 1986, т. 2, № б 2 — 6-696 284 ре палиндрома, где должны были находиться петли креста, причем это наблюдалось лишь при достаточно высокой плотности сверхвитков, когда в соответствии с теорией должны были образовываться кресто- образные структуры. Использование белка-фермента могло, однако, облегчать образование креста, смещая равновесие в его сторону [11]. Поэтому потребовалось применение независимого метода для доказа- тельства того, что кресто- образная структура образу- ется спонтанно, при тех же степенях сверхспирализа- ции. Это и было сделано в работе [12]. Поскольку обычно об- ласть, где образуется та или иная неканоническая струк- тура, мала по размерам в сравнении со всей молеку- лой, такие методы исследо- вания, как электронная мик- роскопия или метод круго- вого дихроизма, оказывают- ся непригодными, и одним из основных здесь стал ме- тод двухмерного электрофо- реза; он и был использован в [12]. Образец Д Н К раз- деляли сначала в первом направлении (в агарозном или смешанном полиакрила- мид-агарозном геле) на Рис. 1. Главный палиндром плаз- миды рЛОЗ в линейной (внизу) и крестообразной формах. Fig. 1. Alternative structure of the palindrome of рЛОЗ plasmid. полосы, содержащие отдельные топоизомеры. Чем выше число сверх- витков топоизомера, тем быстрее он движется в электрическом поле. Если, начиная с какого-то топоизомера с достаточно большим числом сверхвитков, в молекулах образовался крест (или иная неканониче- ская структура), подвижность таких топоизомеров уменьшается скач- ком, и соответствующие им полосы оказываются в области полос более низких топоизомеров. Затем проводили электрофорез во втором, перпен- дикулярном первому, направлении, но уже с добавлением в раствор интеркалятора (бромистого этидия или хлорокина), уменьшающего сте- пень отрицательной сверхспирализации настолько, что кресты (или другие неканонические структуры) исчезали. Поэтому во втором на- правлении полосы топоизомеров располагаются строго в соответствии с числом сверхвитков. Это разрешает всю картину и позволяет ус- тановить, при какой плотности сверхвитков (или в каком интерва- ле плотностей сверхвитков) произошло образование неканонической структуры и какова величина сброса числа сверхвитков, который при этом произошел. Такие сведения дают информацию относительно тер- модинамики соответствующего перехода, а также помогают (в сочета- нии с другими методами) установить природу образовавшейся структу- ры. Характерная картина двухмерного электрофореза приведена на рис. 2 [13]. Величина сброса числа сверхвитков в данном случае около 4, поскольку топоизомер с 10 сверхвитками, содержащий крест, обладает примерно такой же подвижностью, что и топоизомер с 6 сверхвитками. С другой стороны, если при образовании креста из БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА, 1986, т. 2, № б 2 — 6-696 285 двойной спирали уходят т пар оснований, то сброс числа сверхвитков должен составлять величину ^ т / 1 0 ; в рассматриваемом примере эта величина немного превышает 3; возможные причины расхождения ана- лизируются в [12, 14]. Регулярные альтернирующие пурин-пиримидиновые последователь- ности d (G—С)п · d (G—С) η и d (А—Τ) п · d (А—Τ) п также представляют собой совершенные палиндромы и, следовательно, в принципе могут образовывать крестообразные структуры. Однако первая из них явля- Рис. 2. Картина двухмерного гель-электрофореза Д Н К плазмиды рЛОЗ при темпера- туре около б °С [13]: А — электрофореграмма препарата, не содержащего крестообраз- ных структур; Б — топоизомеры с числом сверхвитков —10, — И , —12 и т. д. при фо- резе в первом направлении (сверху вниз) содержали кресты (полосы —10', —11', —12'...). Второе направление фореза — слева направо. Цифры у полос — номера то- поизомеров. ОС — открытые кольцевые молекулы. Fig. 2. The two-dimensional gel electrophoresis picture for рЛОЗ DNA at temperature about 6 °С [13]: A — a sample without cruciforms; Б — topoisomers without cruciforms and with cruciforms (start ing f r o m — 1 0 ) while separated in the first direction (from top to bottom). While separated in the second direction (from left to r ight) , the sample did not contain any cruciforms due to relaxation of superhelical stress by intercalating drug chloroquine. Figures mean the order numbers of topoisomers. ОС means nicked molecules. ется классическим примером последовательности, переходящей при повышении сверхспиральной плотности в Z-форму [11]. Относительно второй недавно было показано, что, будучи включенной в сверхспираль- ную плазмиду, она легче переходит в крестообразную форму, причем при сравнительно низких абсолютных значениях сверхспиральной плот- ности [14—16]. Поведение таких последовательностей представляет су- щественный интерес, поскольку они встречаются и в природных ДНК, например в функционально важных местах хроматина Xenopus'a [15]. Образование и разрушение крестообразных структур характеризу- ется своеобразной, очень медленной кинетикой [12, 13]. Времена ре- лаксации здесь могут достигать очень больших значений, составляя при комнатной температуре десятки часов для крестов с длиной стебля 13 пар нуклеотидов, как в рассмотренном примере. Кинетическая тео- рия этого явления [17] позволила понять природу такой медленной релаксации крестов, предсказала количественную зависимость времени релаксации τ от сверхспиральной плотности для крестов разной величи- ны. Опыт [13] находится в удовлетворительном согласии с теорией. Теория рассматривает кинетику процессов возникновения и исчезно- вения крестов в сверхспиральной ДНК. Медленность исчезновения креста объясняется тем, что каждый элементарный шаг этого процес- 286 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА, 1986, т. 2, № б 2 — 6-696 286 са заключается в переходе двух нуклеотидных пар из стеблей креста в основную спираль, а это сопряжено с возрастанием энергии сверх- спирализации без изменения энергии креста. Более вероятен обратный переход. Такое случайное блуждание продолжается очень долго, пока в какой-то момент крест не достигнет столь малых размеров (длина шпильки ~ 5 пар нуклеотидов), что быстро разрушится, и образуется гладкая двойная спираль. Медленной стадией процесса образования креста является, вероятно, флуктуация, при которой возникает довольно обширная расплавленная область, достаточная для формирования пе- тель креста и устойчивых стеблей, которые потом быстро вырастают до конечной своей длины. Время релаксации для каждого креста прохо- дит через максимум при значении σ, отвечающем середине перехода гладкая спираль—крест. В отличие от исследованных природных крестов, кинетика обра- зования и распада крестов из последовательности d ( A — T ) n - d ( A — T ) n является сравнительно быстрой [14, 15]. Z-форма. Переход последовательностей d ( G — C ) n - d ( G — С ) п раз- ной длины в Z-форму наблюдался под влиянием сверхспирализации методом двухмерного гель-электрофореза [И], а также с помощью ан- ти-Z антител [18]. В линейной Д Н К в физиологических условиях Z-фор- ма никогда не возникает (подробнее о Z-форме см. [19]). Сброс числа сверхвитков при образовании Z-формы в области альтернирующей GC-последовательности должен составлять величину « 1 , 8 т /10 , (где т = 2п), поскольку здесь происходит не только выклю- чение из двойной спирали т пар оснований, но и их переход в левоспит ральную форму с 12 парами нуклеотидов на виток. Хорошее совпадение сброса, наблюдавшегося на опыте, с этой величиной [11] послужило добавочным доказательством перехода вставки именно в Z-форму. В этом случае в отличие от крестообразной структуры разрывы под влиянием эндонуклеазы S1 возникали не в центре вставки, а по ее краям, на границах между В- и Z-структурами [20]. Второй из альтернирующих пурин-пиримидиновых последователь^ ностей, изученных с помощью двухмерного электрофореза, стала после- довательность d (G—T) n -d (A—С)η , в которой также был обнаружен переход в Z-форму под действием сверхспирализации. При этом было обнаружено, что во вставках значительной длины (в [21] длина вставки составляла 60 пар нуклеотидов) В—Z-переход происходит в две стадии. Сначала в Z-форму переходит кооперативно часть вставки; это вызыва- ет такой спад напряжений сверхспирализации, что процесс В—Z-nepe- хода прекращается. Остальная часть последовательности переходит в Z-форму постепенно, некооперативно, только по мере увеличения плот- ности сверхвитков в плазмиде. В теоретической работе по термодинамике В—Z-перехода в сверх- спиральных Д Н К [22] было получено количественное объяснение этого явления, и из опытов с обеими изученными альтернирующими пурин-пи- римидиновыми последовательностями получены оценки энергетических параметров В—Z-перехода. Энергия В—Z-границы оказалась равной Fj = 4:—5 ккал/моль, причем точность определения не позволяет пока установить различны ли ее значения для разных последовательностей. Уточненные значения величины ΔFBZ — разности энергий одной пары оснований в Ζ- и В-формах оказались равными: для d ( G — C ) n - d ( G — С) η-последовательности ~ 0 , 3 ккал/моль, для d ( G — T ) n - d ( A — C ) n — ~ 0,5^-0,6 ккал/моль. Предварительная оценка этой величины для по- следовательности d (A—T) n -d (A—Τ) η приближается к 1 ккал/моль, что объясняет, в частности, тот факт, что эта последовательность легче переходит в крестообразную, чем в Z-форму. Большая энергия В—Ζ- границы делает переход из В- в Z-форму наиболее кооперативным из всех до сих пор изученных конформационных переходов в ДНК- Д в а вида исследованных регулярных альтернирующих пурин-пиримидиновых последовательностей часто встречаются в природных Д Н К : последова- тельность d ( G — C ) n - d ( G — С ) η — в клетках прокариот, а последова- БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА, 1986, т. 2, № б 287 тельность d (G—T)n-d(A—C) n — в эукариотических клетках. Она най- дена практически во всех исследованных геномах эукариот [19]. Как показывают эксперименты [23, 24], нерегулярные последова- тельности оснований также могут переходить при определенных усло- виях в Z-форму. Так, в работе [24] было показано, что олигонукле- отид с последовательностью GCTAGC, где цитозины бромированы или метилированы по С-5, кристаллизуется в виде левоспирального комп- лекса. Экспериментальное изучение влияния последовательности осно- ваний на энергетику В—Z-перехода было начато недавно [25]. В рабо- те [26] была построена статистико-механическая теория В—Z-перехода в Д Н К с произвольной последовательностью. После экспериментального определения параметров теории, которое еще не завершено к настоя- щему времени, мы получим возможность предсказывать, какие участки Д Н К могут переходить в Z-форму под действием отрицательной сверх- спирализации. Структура гомопурин-гомопиримидиновых последовательностей. Та- кие сравнительно протяженные участки, где в одной нити находятся только пуриновые (А и G), а в другой — только пиримидиновые (Т и С) основания широко распространены в эукариотических ДНК. Они распределены в Д Н К не случайно, а обычно фланкируют гены, распо- лагаясь перед 5'-концом. Эти последовательности вызывают в последнее время особый интерес, так как при пониженных значениях рН и в сверх- спиральных Д Н К они оказываются гиперчувствительны к гидролизу нуклеазой S1 [30] и некоторыми другими ДНКазами. Структура таких областей в сверхспиральных Д Н К до сих пор не установлена, хотя это- му вопросу был посвящен ряд исследований [27—29]. Недавно одна из таких последовательностей — d(G—A)i6-d(T—С)іб , выделенная из ге- нома морского ежа в составе более длинного фрагмента, была клони- рована в сверхспирализованной плазмиде и детально исследована ме- тодом двухмерного гель-электрофореза [30—32]. При этом был обнару- жен структурный переход, происходивший при повышении сверхспираль- ной плотности. В отличие от случаев образования крестообразной или Z-формы значение сверхспиральной плотности, при котором наблюдался переход, зависело от рН среды. Чем ниже рН, тем легче происходит этот конформационный переход. Так, при рН 7,0 переход происходил лишь при —σ=0,08 , т. е. при сверхспирализации, превышающей обыч- но наблюдаемую в физиологических условиях. При рН 6,0 переход на- блюдался уже при —σ = 0,055, а при рН 4,3 — происходил и без учас- тия сверхспирализации. В то же время сброс числа сверхвитков отве- чал во всех случаях выключению из двойной спирали участка из 32 пар нуклеотидов, как при образовании креста. Сравнение этих дан- ных с теорией, развитой в [30], позволило сделать определенные вы- воды относительно возможной структуры (названной авторами Н-фор- мой), возникающей в изученной последовательности d(G—А) П Х Xd(T—С)η при высоких плотностях сверхспирализации и/или низких рН. Она должна содержать одно протонированное основание на четыре пары нуклеотидов. Этому условию могут соответствовать разные моде- ли. Наиболее вероятная структура [31] представлена на рис. 3. Она со- держит трехнитевую шпильку, образованную двумя гомопиримидиновы- ми и одной гомопуриновой нитями. Одна часть пуриновой нити не вхо- дит в спираль и должна быть доступна действию S1, обеспечивая гипер- чувствительность этой структуры. Эта структурная модель взята из данных работы [33] с синтетическими полинуклеотидами и нуждается в дальнейшей проверке. Особый интерес представляет исследование структурного перехода в других гомопурин-гомопиримидиновых трактах. В настоящем обзоре мы продемонстрировали богатые и разнообраз- ные конформационные возможности ДНК, проявляющиеся in vitro под влиянием сверхспирализации. Вопрос о неканонических структурах in vivo и их биологических функциях изучен в значительно меньшей сте- пени. Он находится в стадии интенсивных исследований. Здесь мы при- ведем лишь некоторые факты, говорящие о перспективности этого на- 288 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА, 1986, т. 2, № б 2 — 6-696 288 0,1 HM Рис. 3. Вероятная структура Η-формы, образующейся в гомопурин-гомопиримидино- вом участке Д Н К d ( G — A)i 6 -d(T — C)i6 [31, 32] (Л) и триады оснований, образую- щиеся В тройном комплексе, состоящем ИЗ двух нитей d(T — С) η и одной нити d(G — Α)η [33] (Б). Наряду с Уотсон-Криковскими парами ( · ) в шпильке образу- ются хугстиновские АТ-пары (О) ; часть цитозинов протонирована (С + ) и тоже обра- зует с гуанином хугстиновские пары. Изображены две изомерные формы шпильки, в которых Уотсон-Криковский дуплекс простирается до центра гомопурин-гомопирими- динового участка либо с одной, либо с другой стороны. Fig. 3. The probable structure of the Η form [31, 32] (Λ). The major element of the structure is the triple helix. In it, along with the normal Watson-Crick pairs ( · ) the Hoogsteen AT pairs (O) are formed. Protonated cytosines form Hoogsteen pairs with guanines ( + ) . Two isomer forms of the structure are shown. Base tr iads which form the triple helix [33] (Б). Note that two homopyrimidine chains are antiparallel as it should be in the case of the hair-pin structure in A. правления. Как уже отмечалось, все последовательности, способные образовывать неканонические структуры, имеются в природных ДНК. Первые попытки обнаружить крестообразные структуры in vivo дали отрицательный результат [34]. Однако было вскоре показано, что после- довательность d(A—T) n -d(A—Τ) η, включенная в сверхспирализован- БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА, 1986, т. 2, № б 2 — 6-696 2 8 9 ную плазмиду, образует внутри бактериальной клетки крестообраз- ную структуру при условии подавления белкового синтеза [35]. Ра- нее было показано, что и Z-форма может возникать in vivo при по- давлении синтеза белка [36]. Участки левоспиральной Z-формы наблю- дались с помощью анти-Z антител в процессе гомологичной рекомбина- ции в присутствии гесУ-белка [37]. Важным свидетельством в пользу биологической роли неканонических форм является обнаружение бел- ков, специфически связывающихся с Z-формой [19, 38], и белковых факторов, также специфически связывающихся с гиперчувствительными к нуклеазам областями в транскрипционно активных генах β-глоби- на цыпленка, содержащими гомопурин-гомопиримидиновые последова- тельности, а также несовершенный палиндром [39]. Перечисленные данные свидетельствуют о важной роли белков при образовании неканонических структур Д Н К в клетке: белки в одних случаях могут стимулировать образование таких структур, а в дру- гих — затруднять или предотвращать его. Последнее, вероятно, проис- ходит вследствие снятия сверхспиральных напряжений за счет замыка- ния сверхвитков на белковые молекулы подобно тому, как это имеет место в нуклеосомах. Но в настоящее время стало очевидно, что тран- скрипционно активный хроматин, впервые обнаруженный в [40] и под- робно исследованный в работах [41, 42], содержит сверхспирализован- ную Д Н К в напряженном состоянии, когда она способна образовывать неканонические структуры. Более того, из недавней работы [2] следует, что специфические белковые положительные факторы транскрипции в комплексе с топоизомеразой II способны осуществлять избирательную сверхспирализацию отдельных генов или групп генов в одном домене (петле) в эукариотических клетках. При этом в Д Н К возникают напря- жения сверхспирализации и одновременно резко усиливается транскрип- ция. Вполне возможно, что в таком механизме регуляции экспрессии генов существенную роль играют возникающие при сверхспирализации неканонические структуры. Выяснение роли неканонических структур Д Н К в регуляции генетических процессов — одна из важных задач дальнейших исследований. Автор благодарен А. В. Вологодскому, С. М. Миркину и М. Д. Франк-Каменецкому за обсуждение статьи и полезные замечания. DNA: S U P E R C O I L I N G AND ALTERNATIVE STRUCTURES Yu. S. Lazurkin Inst i tute of Molecular Genetics, Academy of Sciences of the USSR, Moscow S u m m a r y The effect of superhelicity of DNA on its s tructure and properties is reviewed. The su- perhelicity is shown to induce in the DNA double helix three al ternat ive structures: cru- ciform, the Ζ form and the Η form (a novel s tructure formed in homopurine-homopyri- midine t rac ts ) . Convincing evidence of these structures in vitro is obtained in recent years by the method of two-dimensional gel electrophoresis. Their occurrence in vivo is closely related to specific proteins which stabilize them. These proteins are believed to play an important role in regulat ion of the gene activity. 1. Грагеров A. И., Миркин С. Μ. Влияние сверхспирализации на основные генетичес- кие процессы у п р о к а р и о т / / М о л е к у л я р . биология.— 1980.—14, № 1.— С. 8—34. 2. Ктіес Ε. В., Worcel A. The positive transcription factor of the 5S RNA gene indu- ced a 5S DNA-specific gyrat ion in Xenopus oocyte e x t r a c t s / / C e l l . — 1985.—41, N 3,— P. 945—953. 3. Франк-Каменецкий Μ. Д., Вологодский А. В. Топологические аспекты физики по- лимеров: теория и ее биофизические п р и л о ж е н и я / / У с п е х и физ. наук.— 1981.—134, № 4 .—С. 641—673. 4. Веденов Α. Α., Дыхне А. М., Франк-Каменецкий М. Д. Переход спираль—клубок в Д Н К / / Т а м же.— 1971.—105, № 3.—С. 479—519. 290 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА, 1986, т. 2, № б 2 — 6-696 290 5. Fluctuations in superhelical DNA / Α. V. Vologodskii, Α. V. Lukashin, V. V. Anshe- levich, M. D. F rank-Kamene t sk i i / /Nuc l . Acids Res.— 1979,—6, N 3 .—P. 967—982. 6. Hsieh T.-S., Wang J. C. Thermodynamic properties of superhelical DNAs / / Bioche- mistry.—1975,—14, N 3 ,—P. 527—535. 7. Statistical-mechanical treatment of violations of the double helix in supercoiled D N A / V . V. Anshelevich, Α. V. Vologodskii, Α. V. Lukashin, M. D. Frank-Kame- netskii / / Biopolymers.— 1979.—18, N 11.— P- 2733—2744. 8. Vologodskii Α. V., Frank-Kamenetskii M. D. Theoretical study of cruciform states in superhelical DNAs / / FEBS Letters.— 1982.—143, N 2 ,—P. 257—260. 9. Lilley D. M. The inverted repeat as a recognizable structural feature in supercoiled DNA molecules / / P r o c . Nat. Acad. Sci. USA.— 1980.—77, N 1,—P. 6468—6472. 10. Panayolatos N, Wells R. D. Cruciform structures in supercoiled D N A / / N a t u r e . — 1981.—289, N 5797,—P. 466—470. 11. Wang J. C., Peck L. /., Becherer K. DNA supercoiling and its effects on DNA struc- ture and f u n c t i o n / / C o l d Spring Harbor Symp. Quant. Biol.— 1983.—47, pt 1.— P. 85—91. 12. Lyamichev V. /., Panijutin I. G., Frank-Kamenetskii M. D. Evidence of cruciform structures in superhelical DNA provided by two-dimensional gel e lec t rophores is / / FEBS Letters.— 1983 —153, N 2,—P. 298—302. 13. Panyutin 1. G., Klishko V., Lyamichev V. /. Kinetics of cruciform formation and stability of cruciform structure in superhelical D N A / / J . Biomol. Struct. Dyn.— 1984.—1, N 4,—P. 1311 — 1324. 14. Panyutin I., Lyamichev VMirkin S. A structural transition in d (AT) n · d (AT) n in- serts within superhelical DNA/ / Ib id .—1985 .—2, N 6 .—P. 1221 — 1234. 15. Greaves D. R., Patient R. K., Lilley D. M. J. Facile cruciform formation by an (A — T) 34 sequence from a Xenopus globin g e n e / / J . Мої. Biol.— 1985.—185, N 3.— P. 461—478. 16. Haniforcl D. В., Pulleyblank D. E. Transition of cloned d (AT) n tract to a cruciform in vivo / / Nucl. Acids Res.— 1985,—13, N 12.—P. 4343—4363. 17. Vologodskii Α. V., Frank-Kamenetskii M. D. The relaxation time for a cruciform structure in superhelical D N A / / F E B S Letters.— 1983.—160, N 1, 2 ,—P. 173—176. 18. Negatively supercoiled plasmids contain left-handed Z-DNA segments as detected by specific antibody b i n d i n g / A . Nordheim, Ε. M., Lafer, L. J. Peck et a l . / / C e l l . — 1982—31, N 1,—P. 309—318. 19. Rich Α., Nordheim Α., Wang A. H.-J. The chemistry and biology of left handed Z - D N A / / A n n . Rev. Biochem.— 1984.—53,—P. 791—846. 20. Left-handed Z-DNA is induced bv supercoiling in physiological ionic conditions / С. K. Singleton, J. Klysik, S. M. Stirdivant, R. D. W e l l s / / N a t u r e . — 1982.—299, N 5881.—P. 312—316. 21. Haniford D. В., Pulleyblank D. E. Facile transition of poly (d (TG) · d (CA)) into a left-handed helix in physiological cond i t i ons / / Ib id .— 1983.—302, N 5909.—P. 632— 634. 22. Frank-Kamenetskii M. D., Vologodskii Α. V. Thermodynamics of the В — Ζ transiti- on in superhelical D N A / / I b i d . — 1984.—307, N 5950,—P. 481—482. 23. Singleton С. K., Klysik J., Wells R. D. Conformational flexibility of junctions bet- ween contiguous B- and Z-DNAs in supercoiled plasmids / / Proc. Nat. Acad. Sci. USA.— 1983.—80, N 9 ,—P. 2447—2451. 24. Crystal structure of Z-DNA without an al ternat ing purine-pyrimidine sequence / A. H.-J. Wang, R. V. Gessner, G. A. van der Marel et a l . / / I b i d . — 1985.—82, N 1 1 . — P. 3611—3615. 25. Sequence dependent energetics of the B-Z transition in supercoiled DNA containing non-alternating purine-pyrimidine sequences / M. J. Ellison, R. J. Kellcher, A. H.-J. Wang et al. / / Ibid.—N 24.—P. 8320—8324. 26. Вологодский А. В. Теоретическое описание В — Z-перехода в Д Н К с произвольной последовательностью//Молекуляр. биология.— 1985.—19, № 4 . — С. 1062—1071. 27. Cantor С. R., Efstratiadis A. Possible structures of homopurine-homopyrimidine S-l hypersensitive sites / / N u c l . Acids Res.— 1984,—12, N 21,—P. 8059—8072. 28. Nickol J. M., Felsenfeld G. DNA conformation at the 5' end of the chicken adult β-globin gene / /Cel l .—1983.—35, N 2 ,—P. 467—477. 29. Pulleyblank D. E., Haniford D. В., Morgan A. R. A structural basis for SI nuclease sensitivity of double-stranded D N A / / C e l l . — 1985,—42, N 1,—P. 271—280. 30. Lyamichev V. /., Mirkin S. M., Frank-Kamenetskii M. D. A pH-dependent structural transition in the homopurine-homopyrimidine tract in superhelical D N A / / J . Biomol. Struct. Dyn.— 1985 —3, N 2 .—P. 327—338. 31. Lyamichev V. /., Mirkin S. M., Frank-Kamenetskii M. D. Structures of homopurine- homopyrimidine tract in superhelical D N A / / I b i d . — 1986,—3, N 4 .—P. 667—699. 32. Лямичев В. И., Миркин С. Μ., Франк-Каменецкий Μ. Д. рН-зависимый структур- ный переход в гомопурин-гомопиримидиновом блоке в сверхспиральной Д Н К / / Биополимеры и клетка.— 1986.—.2, № 3.— С. 115—124. 33. Lee J. S., Johnson D. Α., Morgan A. R. Complexes formed by (pyrimidine) v.· (puri- ne) η DNAs on lowering the pH are t h r ee - s t r anded / /Nuc l . Acids Res.—1979.—6, N 9 ,—P. 3073—3091. 34. Lyamichev V., Panijutin I., Mirkin S. The absence of cruciform structures from рАОЗ plasmid DNA in vivo Ці. Biomol. Struct. Dyn.— 1984.—2, N 2 ,—P. 291 — 301. 35. Обнаружение крестообразных структур в сверхспиральных плазмидных Д Н К in vivo / С. Μ. Миркин, Д. Е. Дужий, И. Г. Панютин, В. И. Лямичев / / Физ.-хим. БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА, 1986, т. 2, № б 291 свойства б и о п о л и м е р о в в р а с т в о р е и к л е т к а х : Тез. докл . м е ж д у н а р . симпоз .— П у - щино, 1 9 8 5 . — С . 89. 36. Haniford В. D., Pulleyblank D. Ε. The in vivo occur rence of Z - D N A / / J . B iomol . S t r u c t . D y n . — 1984.—1, N 3 . — P . 593—610. 37. Kmiec E. В., Holloman W. К. S y n a p s i s p r o m o t e d by u s t i l a g o reel p r o t e i n / / C e l l . — 1984-36, N 3.—P. 593-598. 38. Azorin F., Rich A. I s o l a t i o n of Z - b i n d i n g p r o t e i n s f r o m SV40 m i n i c h r o m o s o m e s : ev idence f o r b i n d i n g to t he v i r a l con t ro l r e g i o n / / I b i d . — 1985—41, N 2 . — P . 365— 374. 39. Emerson В. M., Lewis C. D., Felsenfeld G. I n t e r a c t i o n of speci f ic n u c l e a r f a c t o r s w i th t he n u c l e a s e - h y p e r s e n s i t i v e r e g i o n of t he ch icken a d u l t β - g l o b i n gene ; n a t u r e of t he b i n d i n g d o m a i n / / I b i d . — N 1 . — P . 21—30. 40. Elastic t o r s i o n a l s t r a i n in D N A w i t h i n a f r a c t i o n of SV40 m i n i c h r o m o s o m e s : re la - t ion to t r a n s c r i p t i o n a l l y ac t ive c h r o m a t i n / A . N. Luchn ik , V. V. B a k a y e v , I. B. Z b a r s - ky, G. P . G e o r g i e v / / E M B O J .— 1982.—1, N 1 1 . — P . 1353—1358. 41. Worcel Α., Ryoji M. C h r o m a t i n accembly in Xenopus oocy tes : in vitro s t u d i e s / / Ce l l .—1984 .—37 , N 1 . — P . 21—32. 42. Glikin G. C., Ruberti 1., Worcel A. C h r o m a t i n a s s e m b l y in Xenopus oocy tes : in vivo s t u d i e s / / I b i d . — P . 33—41. И н - т м о л е к у л я р . генетики А Н С С С Р , М о с к в а П о л у ч е н о 10.03.86 НОВЫЕ КНИГИ ИЗДАТЕЛЬСТВА « Н А У К О В А Д У М К А » Стародуб Η. Ф., Назаренко В. Н. ГЕТЕРОГЕННАЯ СИСТЕМА ГЕМОГЛОБИНА (струк- тура, свойства, биосинтез, биологическая роль).—18 л .— 2 р. 90 к. План 1987 г. № 311 (I кв.). Монография посвящена одному из специфических белков — гемоглобину, имеющему важное биологическое значение и обладающему уникальными свойствами, связан- ными с транспортом кислорода и углекислоты. Рассматриваются общие закономер- ности и особенности формирования множественных форм этого белка. Показан характер перестройки неоднородности гемоглобина в онтогенезе организма и при патологии. Обсуждается биологическая значимость синтеза множественных форм данного белка в процессе биохимической адаптации организма, клеточные и моле- кулярные основы этого процесса. Приведены доказательства тесной связи переклю- чения синтеза типов гемоглобина с особенностями дифференцировки кроветворных клеток на различных этапах их развития. Для биохимиков, физиологов, медиков, а также преподавателей, аспирантов и сту- дентов вузов. Заказать это издание можно в магазине издательства «Наукова думка» (252001 Киев 1, ул. Кирова, 4), который высылает книги иногородним заказчикам наложенным платежом. Индивидуальные покупатели должны оформлять заказы на почтовых открытках, где указывается автор и название книги, номер по плану, необходимое количество экземпляров и адрес, по которому должна быть отправлена заказанная литература. Организации и предприятия оформляют заказы гарантийными письмами. Прием предварительных заказов в магазине издательства прекращается за три месяца до выхода издания в свет. 292 БИОПОЛИМЕРЫ И КЛЕТКА, 1986, т. 2, № б 2 — 6-696 292

ДНК: сверхспирализация и образование неканонических структур

Репозитарії

Схожі ресурси