Просмотр кода страницы Сверхспирализация ДНК

'''Сверхспирализация ДНК ''' — явление пере- или недоскручивания топологически замкнутых цепей [[ДНК]], в результате которого ось двойной спирали ДНК сама закручивается в спираль более высокого порядка. Под «топологически замкнутыми» понимают молекулы, свободное вращение концов которых затруднено (кольцевые молекулы ДНК либо линейные молекулы, концы которых зафиксированы [[Белки|белковыми структурами]])<ref name="Ohyama">{{книга |автор = Takashi Ohyama |часть = Chapter 1. DNA: Alternative Conformations and Biology |заглавие = DNA Conformation and Transcription|оригинал =|ссылка =https://archive.org/details/dnaconformationt0000taka|место =  |издательство = Georgetown, Tex. : Landes Bioscience ; New York, NY. : Springer Science Business Media |год = 2005 |страницы =  |isbn =0387255796 }}</ref>. Образующаяся в результате сверхспирализации ДНК иногда называется ''суперскрученной''.

Сверхспирализация важна во множестве биологических процессов, таких как, например, [[компактизация ДНК]].
Определённые ферменты, в частности [[Топоизомераза|топоизомеразы]], обладают способностью изменять топологию ДНК, например для [[Репликация ДНК|репликации ДНК]] или [[Транскрипция (биология)|транскрипции]]<ref name="Valenti">{{статья |заглавие=Positive supercoiling in thermophiles and mesophiles: of the good and evil |издание={{Нп3|Biochemical Society Transactions|Biochem. Soc. Trans.||Biochemical Society Transactions}} |том=39 |номер=1 |страницы=58—63 |pmid=21265747 |язык=en |тип=journal |автор=Valenti A., Perugino G., Rossi M., Ciaramella M. |год=2011}}</ref>. Сверхспирализация описывается математическими выражениями, которые сравнивают суперскрученную спираль ДНК с её «расслабленной» формой.

Сверхспирализация ДНК может быть положительной и отрицательной. За положительную сверхспирализацию принято принимать такую, при которой ось двойной спирали закручена в том же направлении, что и цепи внутри двойной спирали (по часовой стрелке). Соответственно, сверхспирализация считается отрицательной, если ось двойной спирали закручена против часовой стрелки<ref name=Lewin>{{книга |автор = Benjamin Lewin |часть = Chapter 15: Recombination and Repair |заглавие = Genes VIII|оригинал =|ссылка =https://archive.org/details/genesviii0000lewi|место = Upper Saddle River, NJ |издательство = Pearson Prentice Hall |год = 2004 |страницы =  |isbn = 0131439812}}</ref>. ДНК большинства [[Мезофилы|мезофильных]] организмов отрицательно сверхспирализована. В то же время есть сведения об особой биологической роли положительной сверхспирализации ДНК как мезофильных, так и [[Термофилы|термофильных]] организмов<ref name="Бугреев">{{статья |заглавие=Структура и механизм действия ДНК-топоизомераз IА-типа |издание=Успехи биологической химии |том=49 |страницы=129—158 |ссылка=http://www.inbi.ras.ru/ubkh/49/Bugreev.pdf |язык=ru |тип=журнал |автор=Д. В. Бугреев, Г. А. Невинский |год=2009 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20140321081702/http://www.inbi.ras.ru/ubkh/49/Bugreev.pdf |archivedate=2014-03-21 }}</ref>.

== Математическое описание сверхспирализации ДНК ==
[[Файл:Circular DNA Supercoiling.png|thumb|250px| Структура сверхспирализованных молекул ДНК]]
В топологически замкнутых молекулах ДНК две цепи переплетены между собой таким образом, что их невозможно разделить, не повредив одну из них. Для количественного описания связи двух цепей используется особая величина — [[Коэффициент зацепления|порядок зацепления]] (Lk). Порядок зацепления показывает, сколько раз одна из цепей пересекает воображаемую плоскость, ограниченную второй цепью. Порядок зацепления всегда выражается целым числом, он может быть положительным и отрицательным. Принято считать, что порядок зацепления для замкнутых правозакрученных спиралей положителен. Порядок зацепления зависит только от топологического состояния цепей ДНК и потому остаётся постоянным при любых [[Конформация|конформационных]] изменениях в молекуле. Одна и та же молекула ДНК может существовать в состояниях с разным порядком зацепления. Такие формы ДНК называют топологическими изомерами (топоизомерами)<ref name="Vologodskii">{{статья |заглавие=Conformational and thermodynamic properties of supercoiled DNA |издание=[[Annual Review of Biophysics|Annu Rev Biophys Biomol Struct]] |том=23 |страницы=609—643 |pmid=7919794 |doi=10.1146/annurev.bb.23.060194.003141 |язык=en |тип=journal |автор=Vologodskii A. V., Cozzarelli N. R. |год=1994}}</ref><ref name="Lewin" />.

Снять напряжение с замкнутой молекулы ДНК можно, внеся в неё одноцепочечный разрыв и затем [[Лигаза#ДНК-лигазы|лигировав]] этот разрыв. Полученные в результате такой процедуры молекулы будут характеризоваться определённым диапазоном величины порядка зацепления. Среднее значение этого диапазона называют Lk<sub>o</sub>. Lk<sub>o</sub> можно приблизительно рассчитать по формуле:
: <math>Lk_o=N/\gamma</math>,
где N — количество [[Спаренные основания|пар оснований]] в молекуле, а γ — среднее число пар оснований на виток двойной спирали при данных условиях. Обычно значение γ близко к 10,5<ref name="Ohyama" />.

Важное значение имеет разница между Lk и Lk<sub>o</sub>:
: <math>\Delta{Lk=Lk-Lk_o}=Lk-N/\gamma</math>

Значение ΔLk, в отличие от Lk, уже не обязательно является целым числом и не привязано строго к топологии молекулы. ΔLk характеризует напряжение, которое испытывает замкнутая молекула ДНК. При ΔLk=0 ДНК находится в релаксированном состоянии, при ΔLk<0 она отрицательно сверхспирализована, при ΔLk>0 — положительно<ref name="Vologodskii" />.

В [[1969 год]]у Уайтом была предложена формула, которая связала порядок зацепления и две другие геометрические характеристики замкнутой ДНК — кручение (Twist, Tw) и количество супервитков (райзинг)(Writhe, Wr):
: <math>Lk=Tw+Wr</math>

Кручение характеризует вращение цепей ДНК вокруг оси спирали и соответствует общему количеству витков, для правозакрученных спиралей кручение принято считать положительным. Райзинг (количество супервитков) характеризует форму оси двойной спирали, он представляет собой алгебраическую сумму всех видимых пересечений оси спирали с самой собой, усреднённую по всем проекциям. Для молекул ДНК, находящихся в релаксированном состоянии Wr=0, для отрицательно сверхспирализованных Wr<0, для положительно сверхспирализованных — Wr>0<ref name="Vologodskii" /><ref name="Witz">{{статья |заглавие=DNA supercoiling and its role in DNA decatenation and unknotting |издание=[[Nucleic Acids Research|Nucleic Acids Res.]] |том=38 |номер=7 |страницы=2119—2133 |pmid=20026582 |doi=10.1093/nar/gkp1161 |ссылка=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2853108/?tool=pubmed |язык=en |тип=journal |автор=Witz G., Stasiak A. |год=2010 |archivedate=2020-06-05 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20200605112543/https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2853108/?tool=pubmed }}</ref>.

Другим способом описания сверхспирализации ДНК является определение плотности сверхвитков (σ):
: <math>\sigma=\Delta{Lk/Lk_o}</math>

Кольцевые ДНК, выделенные из живых организмов обычно имеют плотность сверхвитков в диапазоне от −0,03 до −0,09<ref name="Vologodskii" />.

== Биологическое значение сверхспирализации ДНК ==
Сверхспирализация является важным свойством ДНК, от которого зависит протекание практически всех ДНК-зависимых процессов в клетке, таких как [[репликация ДНК]], [[транскрипция (биология)|транскрипция]] и [[рекомбинация (биология)|рекомбинация]]. ДНК в клетках большинства исследованных [[мезофилы|мезофильных]] организмов отрицательно сверхспирализована<ref name="Valenti" />. Отрицательная сверхспирализация способствует облегчению локального плавления двойной спирали, что обеспечивает нормальную инициацию транскрипции и репликации. Напротив, положительная сверхспирализация может препятствовать инициации транскрипции и продвижению [[Репликационная вилка|репликативной вилки]]<ref name="Koster">{{статья |заглавие=Cellular strategies for regulating DNA supercoiling: a single-molecule perspective |издание=[[Cell (журнал)|Cell]] |том=142 |номер=4 |страницы=519—530 |pmid=20723754 |doi=10.1016/j.cell.2010.08.001 |ссылка=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867410008962 |язык=en |автор=Koster D. A., Crut A., Shuman S., Bjornsti M. A., Dekker N. H. |год=2010 |издательство=[[Cell Press]] |archivedate=2015-09-24 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150924161738/http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867410008962 }}</ref>. Особые [[белки]] и [[ферменты]] поддерживают ДНК в состоянии отрицательной сверхспирализации. В [[Эукариоты|эукариотических]] клетках ДНК закручена в отрицательные сверхвитки вокруг [[Гистоны|гистоновых]] комплексов, у большинства мезофильных [[Археи|архей]] есть гистоноподобные белки, которые выполняют ту же функцию, а у [[Бактерии|бактерий]] за это отвечают белки, ассоциированные с [[нуклеоид]]ом (например, HU и HNS)<ref name="Valenti" />.

Кроме того, существуют специальные ферменты класса [[Изомеразы|изомераз]], которые могут изменять топологическое состояние ДНК. Они получили название [[Топоизомераза|топоизомераз]], или ДНК-топоизомераз, и были обнаружены у [[Прокариоты|прокариот]], эукариот, а также у некоторых [[Вирусы|вирусов]]. Топоизомеразы могут вносить в замкнутую ДНК положительные и отрицательные сверхвитки, а также обеспечивать её релаксацию. По механизму действия топоизомеразы делят на два класса: топоизомеразы I типа вносят временный одноцепочечный разрыв в ДНК и не требуют для своей работы источников энергии, в то время как топоизомеразы II типа вносят временный двухцепочечный разрыв и являются [[АТФ]]-зависимыми ферментами<ref name="Бугреев" />. Топоизомеразы играют большую роль в протекании ДНК-зависимых процессов в клетке, например, они отвечают за удаление положительных сверхвитков и снятие напряжения на участке ДНК перед репликационной вилкой, чем обеспечивают её нормальное движение<ref name="Valenti" />.

К [[2012 год]]у накопились экспериментальные данные, которые позволяют по-новому взглянуть на роль положительной сверхспирализации ДНК для живых организмов. Ранее считалось, что положительная сверхспирализация характерна только для ДНК термофильных архей, где она препятствует тепловой денатурации ДНК. Однако всё больше фактов говорит о том, что положительно и отрицательно сверхспирализованные участки ДНК могут сосуществовать в клетках как термофильных, так и мезофильных организмов и что положительная сверхспирализация может играть особую роль в регуляции [[Экспрессия генов|экспрессии генов]], репликации [[Теломеры|теломер]] и других процессах<ref name="Valenti" />.

Противомикробные препараты группы [[Фторхинолоны|фторхинолонов]] [[Ферментный ингибитор|ингибируют]] ДНК-гиразу и топоизомеразу-4, нарушая сверхспирализацию ДНК, что приводит к гибели бактерий<ref name="lys">{{cite web
 |url         = http://www.medicusamicus.com/index.php?action=4x1005-3-5-13g-14x1
 |title       = Сравнительная оценка фторхинолонов. Место новых фторхинолонов в клинической практике
 |author      = Лысенко Н. В.
 |work        = Основные лекарственные средства
 |publisher   = Medicus Amicus<sup>®</sup>
 |accessdate  = 2012-02-27
 |archiveurl  = https://web.archive.org/web/20160306062733/http://medicusamicus.com/index.php?action=4x1005-3-5-13g-14x1
 |archivedate = 2016-03-06
 |deadlink    = no
}}</ref><ref>{{Книга:Машковский-15|842}}</ref>.

== Примечания ==
{{Примечания}}

== Ссылки ==
* [http://www.medbiol.ru/medbiol/dnastructure/0002e4a9.htm Сверхспирализация: введение] // medbiol.ru
* [http://humbio.ru/humbio/dnastructure/000369ed.htm#0007bf4d.htm О сверхспирализации ДНК на сайте humbio.ru]

{{внешние ссылки}}
[[Категория:ДНК]]
[[Категория:Молекулярно-генетические процессы]]
{{Добротная статья|Молекулярная биология}}