DNA Supercoiling: 7 complete snelle feiten

by

Inhoud

Wat is supercoilen? | DNA-supercoiling

Zoals we allemaal weten, is het DNA van een cel erg compact, wat leidt tot een hoger niveau van structurele organisatie. Het vouwmechanisme van DNA verpakt het cellulaire DNA zodat de informatie in het DNA toegankelijk blijft.

We moeten de basisstructuur van DNA zorgvuldig onderzoeken om de DNA-replicatie en het transcriptieproces te begrijpen. We moeten voorkennis hebben over een cruciale eigenschap van de DNA-structuur, namelijk: superspoelen.

Supercoiling impliceert het verder oprollen van een opgerolde structuur. Stel bijvoorbeeld dat een snoer van een telefoon normaal gesproken een opgerolde draad is. De draad tussen het lichaam van de telefoon en de ontvanger bevat vaak ten minste één superspoelen. De twee DNA-strengen wikkelen zich om elkaar heen om de dubbele helixstructuur van het DNA te produceren. De coiling in de DNA-as veroorzaakt supercoiling. Supercoiling in DNA is voor het grootste deel een teken van onderliggende structurele spanning. Wanneer er geen resulterende axiale buiging van het DNA is, wordt het DNA in ontspannen toestand beschouwd.

DNA-supercoiling
Figuur: DNA Supercoiling, niveaus van supercoiling gevonden in DNA. In het kort lijkt het op het oprollen van telefoondraad
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Epigenetic_mechanisms.png

We hadden misschien verwacht dat het proces van verdichting van DNA wat supercoiling omvatte. Het is misschien minder verrassend dat de replicatie en transcriptie van DNA bovendien van invloed zijn op en worden beïnvloed door supercoiling. De replicatie en transcriptie vereisen beide het losmaken van DNA-strengen en het spiraalvormig afwikkelen van DNA.

  • Dat DNA zelf zou verdraaien en supergewonden zou worden in compact verpakt DNA in de cel, zou op dat moment verstandig en misschien zelfs onbeduidend lijken.
  • Verschillende circulaire DNA-moleculen blijven echter uitzonderlijk supercoiled, zelfs na hun extractie en zuivering.
  • Dit suggereert dat supercoiling een intrinsieke eigenschap van DNA is. Het gebeurt in elke cel-DNA en wordt uitzonderlijk gereguleerd door elke cel.
  • Verschillende meetbare eigenschappen van supercoiling zijn gestandaardiseerd en het onderzoek naar supercoiling heeft tal van inzicht in de structuur van DNA en zijn functie.
  • Dit onderzoek is gebaseerd op de ideeën uit de topologie en het onderzoek naar eigenschappen van een object dat niet verandert onder dynamische omstandigheden.

Voor DNA omvatten consistente vervormingen conformatieveranderingen vanwege thermische beweging of eiwitinteractie of andere chemische middelen; intermitterende vervormingen omvatten breuk van de DNA-streng. Voor een circulair DNA worden topologische eigenschappen niet beïnvloed door structurele veranderingen in de DNA-strengen als strengbreuken niet aanwezig zijn. Topologische eigenschappen worden uitsluitend verstoord door het breken van de suiker-fosfaatruggengraat en het opnieuw samenvoegen van een van de DNA-strengen. We onderzoeken momenteel de fundamentele kenmerken en fysieke basis van supercoiling.

Het meeste cellulaire DNA is ondergewikkeld

Om supercoiling te herkennen, moeten we ons in eerste instantie concentreren op de kenmerken van kleine circulaire DNA's zoals kleine virale DNA's en plasmiden. Als DNA geen breuken heeft in een van de strengen, wordt het beschouwd als een gesloten circulair DNA. Stel dat het DNA van een cirkelvormig DNA-molecuul nauw aansluit om een ​​B-vormstructuur te vormen, zoals vermeld door Watson-Crick. De ene winding van B-DNA bestaat uit 10.5 bp; dan wordt het DNA ontspannen in plaats van supercoiled.

Supercoiling wordt waargenomen wanneer DNA wordt onderworpen aan structurele spanning. Het gezuiverde circulaire DNA wordt zeer zelden in ontspannen toestand aangetroffen, ongeacht de oorsprong ervan. Bovendien heeft DNA een karakteristieke mate van supercoiling, afhankelijk van de bron of oorsprong. DNA-structuur wordt gespannen zodat het supercoiling kan ondergaan. In bijna elk geval is de stam het resultaat van onderwinding van het circulaire dubbel-helix DNA.

  • Dat wil zeggen, en het DNA heeft minder spiraalvormige windingen dan de B-DNA-structuur.
  • Het B-DNA bevat 10.5 basenparen (bp) in één beurt.
  • Dus een fragment van 84 bp van een ontspannen circulair DNA zou acht spiraalvormige windingen hebben. Of één slag voor elke 10.5 bp.
  • Als een van deze windingen wordt verwijderd, wordt er (84 bp)/7 = 12.0 bp per winding gevonden in plaats van 10.5 in B-DNA.

Het is een afwijking van de meest stabiele vorm van DNA-structuur, en het DNA-molecuul wordt dienovereenkomstig thermodynamisch belast. Gewoonlijk zou er veel spanning worden vastgehouden door de DNA-as op zichzelf te wikkelen om een ​​supercoil te vormen. Een deel van de spanning in deze sectie van 84 bp zou gewoon worden verspreid in de niet-twiste structuur van het grotere DNA-deeltje).

Op een basisniveau kan stam worden geïnduceerd door de twee DNA-strengen te scheiden over een afstand van ongeveer tien bp.

In circulair DNA wordt de spanning die wordt gepresenteerd door onderwinding over het algemeen vastgehouden door supercoiling in plaats van strengsegregatie, aangezien coiling in de as van DNA gewoonlijk minder energie nodig heeft dan het verbreken van de waterstofbruggen tussen complementaire basenparen. 

Belangrijke opmerking: ondanks het feit dat de onderwikkeling van DNA in vivo het eenvoudiger maakt om DNA-strengen te scheiden, waardoor toegang wordt geboden tot de genetische informatie die ze bevatten.

Elke cel windt voortdurend zijn DNA op met behulp van enzymatische cycli, en de daaropvolgende gespannen toestand vormt een soort opgeslagen energie. Cellen houden het DNA in ondergewikkelde vorm, zodat het gemakkelijk opgerold kan worden. De onderwikkeling van DNA is van cruciaal belang voor DNA metaboliserende enzymen die strengscheiding nodig hebben als onderdeel van hun functie.

De ondergewikkelde toestand wordt alleen als zodanig behouden in het geval van gesloten circulair DNA, of het moet worden gebonden met eiwitten (histonen) zodat strengen niet om elkaar heen kunnen wikkelen. Als de streng van een cirkelvormig DNA breekt die gescheiden en niet-eiwitgebonden zijn, zal de vrije beweging of rotatie op het punt ertoe leiden dat het ondergewikkelde DNA onmiddellijk terugkeert naar zijn ontspannen toestand. In circulair DNA geeft het aantal spiraalvormige windingen de mate van supercoiling.

Topologisch koppelingsnummer definieert DNA-onderwinding

De topologie geeft verschillende gedachten die nuttig zijn voor dit gesprek, met name het idee om nummers te koppelen. Koppelingsgetal is een eigenschap die is gebaseerd op topologische kenmerken van dubbel helixvormig DNA, aangezien het niet verandert als het DNA wordt vervormd of buigt zonder te breken. Het koppelnummer (Lk) wordt gedemonstreerd in.

We moeten beginnen met de segregatie van de twee strengen van een dubbel spiraalvormig circulair DNA voor te stellen. Als de twee strengen zijn verbonden, zijn ze productief verbonden via een topologische binding. Ongeacht alle basisstapelingsinteracties en waterstofbruggen, verbindt de topologische binding nog steeds de twee strengen.

Als we één streng van een cirkelvormig DNA als het oppervlak beschouwen (bijvoorbeeld een zeepfilm), wordt het koppelingsgetal weergegeven als het aantal oppervlakte-penetraties veroorzaakt door de tweede streng. Voor een circulair DNA is het koppelgetal altijd een geheel getal.

Conventioneel is het koppelingsgetal positief wanneer de strengen van de dubbele DNA-helix verstrengeld zijn in een rechtshandige helix. Als de strengen van de dubbele DNA-helix zich in een linkshandige helix wikkelen, blijkt het koppelingsgetal negatief te zijn. De negatieve koppelgetallen komen praktisch niet in DNA voor.

Wanneer het circulaire DNA-molecuul ontspannen is, kan het koppelingsgetal gemakkelijk worden bepaald door meerdere basenparen in het DNA-molecuul per basenpaar per beurt (~ 10.5). Voor een circulair DNA met 2100 bp zal het een koppelingsgetal van 200 vertonen.

Het koppelingsgetal wordt berekend voor die DNA-moleculen die in geen van beide DNA-strengen breken. In het geval van strengbreuk bestaan ​​er geen topologische bindingen; vandaar dat het koppelingsnummer ongedefinieerd blijft.

We zijn nu in staat om DNA-onderwinding als gevolg van nummerverandering in de koppeling in beeld te brengen. Het verbindende getal in ontspannen DNA, Lk0, wordt gebruikt als een bron van perspectief (referentie). Voor een DNA-molecuul met een koppelingsgetal = 200 (Lk0 = 200), als er twee windingen uit dit DNA-molecuul worden gehaald of verwijderd, Lk = 198. De vergelijking kan de verandering weergeven:

∆Lk = Lk – Lk0

∆Lk = 198 – 200 = -2

Het is veel beter om de verandering in koppelingsgetal uit te drukken in termen van specifiek koppelingsverschil (σ) of superhelische dichtheid (deze hoeveelheid is niet afhankelijk van de DNA-lengte). Het specifieke koppelingsgetal wordt wiskundig gedefinieerd als het aantal verwijderde windingen (verandering in koppelingsnummer) gedeeld door verschillende windingen die aanwezig zijn in de ontspannen toestand van DNA.

σ = ∆Lk/Lk0

dus, voor een DNA-molecuul met een koppelingsgetal van 200, als er twee windingen van worden verwijderd, wordt het specifieke koppelingsverschil

σ = -2/200 = -0.01 

het toont aan dat 2 van de 200 (1%) van de totale spiraalvormige windingen die aanwezig zijn in het B-DNA-molecuul worden verwijderd.

Positieve Supercoiling | Negatieve Supercoiling

De mate van onderwikkeling van cellulair DNA is in het algemeen 5% tot 7%; dat wil zeggen, -0.05 tot -0.07. Dit minteken geeft aan dat een verandering in het koppelingsgetal naar verwachting onderwindt of door onderwinding van DNA. De door onderwikkeling veroorzaakte supercoiling wordt op deze manier gekenmerkt als negatieve supercoiling. Als alternatief kan onder bepaalde omstandigheden DNA worden omwikkeld, waardoor een positieve supercoiling ontstaat.

Belangrijke opmerking: Het pad van verdraaiing in de DNA-as veroorzaakt door positieve supercoiling (overwound DNA) is het spiegelbeeld van verdraaiing van de DNA-as veroorzaakt door negatieve supercoiling (underwound DNA).

Supercoiling is zeker geen willekeurige interactie; de supercoiling wordt in het algemeen gestuurd door de torsiespanning die aan het DNA wordt verleend door het koppelingsgetal van het B-DNA te verhogen of te verlagen. 

Nummerveranderingen met één koppelen door het breken van één DNA-streng, waarbij een van de uiteinden 360 . wordt gedraaido over de streng (ononderbroken) en het opnieuw verbinden van de gebroken uiteinden van het B-DNA.

Deze verandering verstoort het aantal basenparen of atomen in het circulaire DNA niet. Twee soorten circulair DNA die variëren in een topologische eigenschap (bijvoorbeeld een koppelingsnummer) worden genoemd topoisomeren.

positieve en negatieve supercoiling
Figuur: weergave van positieve en negatieve supercoiling in het DNA https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/98/Subhash_nucleoid_06.png

Koppelingsnummer kan worden onderverdeeld in twee hoofdcomponenten, bekend als Twist (Tw) en Writhe (Wr). Deze zijn moeilijker in beeld te brengen dan het koppelen van nummers. Toch kan kronkelen worden beschouwd als een handeling van het oprollen van de spiraalvormige as en wordt Twist bepaald als de ruimtelijke relatie van de naburige basenparen en lokale torsie. Op dit punt resulteert een verandering in het aantal koppelingen in een verandering in de hoeveelheid spanning die normaal wordt gecompenseerd door kronkelen (supercoiling) en weinig door variaties in de Twist, gevolgd door de vergelijking:

Lk = Tw + Wr

Tw en Wr zijn niet noodzakelijk gehele getallen. Writhe en Twist zijn geometrische eigenschappen in plaats van topologische eigenschappen, omdat vervormingen ze in het circulaire DNA kunnen veranderen.

Ze veroorzaken supercoiling en maken strengscheiding veel eenvoudiger. De onderwinding van DNA werkt samen met verschillende andere structurele veranderingen in het circulaire DNA. Deze zijn van minder fysiologische betekenis, maar helpen om de effecten van onderwinding te laten zien.

Een kruisvorm bevat meestal meerdere ongepaarde basen; DNA-onderwikkeling helpt bij het in stand houden van de noodzakelijke strengscheiding. De rechtshandige dubbele spiraalvormige DNA-onderwikkeling resulteert in de vorming van korte stukjes linkshandig Z-DNA op plaatsen met de consistente nucleotidesequentie met het Z-DNA.

topoisomerase | Wijziging in koppelingsnummer | Introductie van negatieve supercoiling

DNA-supercoiling is een proces dat het DNA-metabolisme beïnvloedt. Elke cel heeft specifieke enzymen die de enige capaciteit hebben om de dubbele DNA-helix te ontspannen of mogelijk te ontspannen. De enzymen die een afname of toename van DNA-onderwinding veroorzaken, staan ​​bekend als topoisomerases; ze veranderen meestal het koppelingsnummer van DNA om de supercoiling te behouden.

topo-isomerase
Figuur: Werkingsmechanisme en remming van topoisomerase
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Topoisomerase_DNA.gif#/media/File:Topoisomerase_DNA.gif

Deze enzymen spelen een bijzonder belangrijke rol in het proces van DNA-verpakking en replicatie van DNA. In grote lijnen wordt topoisomerase ingedeeld in twee hoofdtypen:

  • Type I topoisomerases breken één streng van het dubbele helixvormige DNA. Het passeert de ongebroken DNA-streng door de opening en ligeert het gebroken uiteinde; type I topoisomerase zorgt voor een verandering in Lk met een toename van 1. 
  • Type II topoisomerases breken beide strengen van dubbele helix DNA dubbele helix en veranderen Lk met de toename van 2.

De effecten van topoisomerases op de topologie van DNA kunnen worden beschreven door gelelektroforese (agarose). Een populatie van vergelijkbare plasmide-DNA's met het gelijke koppelingsgetal reist als een discontinue band tijdens elektroforese. Topoisomeren die met een waarde van slechts 1 Lk variëren, kunnen met deze techniek worden geïsoleerd, zodat de verandering in het aantal koppelingen dat wordt veroorzaakt door topoisomerases gemakkelijk kan worden geïdentificeerd.

E. coli heeft vier onderscheidende individuele topoisomerases (I tot IV). Het type I (inclusief topoisomerases I en III): 

meestal ontspannen de dubbele helix van DNA door negatieve supercoils te elimineren (en dus Lk-waarde te verhogen). Hoe bacteriële type I topoisomerases het koppelingsgetal verhogen, wordt uitgelegd in. Een type II bacteriële topoisomerase of DNA-gyrase is in staat negatieve supercoils te induceren en uiteindelijk de Lk-waarde te verlagen.

Het gebruikt de energie van ATP om dit te bereiken. Om het koppelingsnummer van de dubbele DNA-helix te veranderen, scheiden type II-topoisomerasen de twee strengen van de dubbele DNA-helix, en later maakt het het mogelijk om een ​​andere duplex door de breuk te kruisen. Het niveau van supercoiling van bacterieel DNA is volledig onder topoisomerases I en II regulering. Eukaryoten hebben bovendien topoisomerases zowel type I als type II.

De topoisomerasen I en III behoren tot de klasse van type I-enzymen; terwijl de type II-enzymen de topoisomerases II-α en II-β omvatten. De eukaryote type II topoisomerases kunnen DNA niet onderwinden (negatieve supercoiling induceren), maar ze kunnen negatieve en positieve supercoiling wel ontspannen.

supercoiling en negatieve inductie
Figuur: Inductie van negatieve supercoiling in DNA https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Subhash_nucleoid_04.png#/media/File:Subhash_nucleoid_04.png

We zullen een waarschijnlijk beschouwen als het begin van negatieve supercoils in eukaryotische cellen in ons gesprek over chromatine in onze latere discussie.

DNA-verdichting heeft Supercoiling nodig

Supercoiled dubbele DNA-helix is ​​in verschillende opzichten uniform. De Supercoiling is rechtshandig in een DNA-molecuul dat negatief supercoiled is, en ze hebben de neiging smal en uitgebreid te zijn in plaats van een compacte structuur met talrijke vertakkingen te vertonen. Bij deze superhelische dichtheid die typisch wordt ervaren in cellen, vormt de lengte van de as van supercoiling met vertakkingen ongeveer 40% van de totale DNA-lengte.

Dit type Supercoiling staat bekend als plectonemic Supercoiling (het is een combinatie van de Griekse woorden "plektos" betekent "gebogen" en "nema" betekent "snaar").

Deze term is van toepassing op elk ontwerp met strengen die regelmatig verstrengeld zijn, en het is een behoorlijke beschrijving van de algemene structuur van supercoiled DNA in Plectonemic Supercoiling. De structuur die wordt getoond in gescheiden DNA's in het laboratorium zorgt niet voor voldoende verdichting tot verpakt cellulair DNA. Het tweede type Supercoiling, bekend als solenoïdaal, kan worden geproduceerd door een ondergewikkeld DNA.

Solenoïde 30 nm vezelstructuur dichterbij en verder weg
Afbeelding: een voorbeeld van elektromagnetische supercoiling gevonden in DNA https://en.wikipedia.org/wiki/File:Solenoid_30_nm_fibre_structure_closer_and_farther_away.png

In tegenstelling tot de plectonemische vorm (gekenmerkt door verlengde rechtshandige Supercoiling), wordt solenoïdale Supercoiling gekenmerkt door strakke linkshandige bochten. Ongeacht het feit dat hun structuren drastisch van elkaar verschillen, zijn solenoïdaal en plectonemisch twee soorten negatieve Supercoiling die een vergelijkbaar fragment van ondergewikkeld DNA kan opnemen.

De twee structuren zijn vaak onderling converteerbaar. De plectonemische structuur is echter stabieler. Maar de solenoïdale structuur wordt vaak gestabiliseerd door eiwitbinding, de structuur die wordt aangetroffen in chromatine. Het geeft een veel hogere verdichting. In de Solenoidal Supercoiling draagt ​​onderwinding bij aan DNA-verdichting.

Conclusies

In dit artikel hadden we een diepgaande discussie over het mechanisme van supercoiling van DNA en de enzymen en eiwitten die betrokken zijn bij het supercoiling-proces. We zullen doorgaan met het bespreken van meer aspecten van DNA in onze komende berichten. Om te weten over de samenstelling van DNA klik hier

Vraag en antwoord interview

V1 Waarom is positieve Supercoiling belangrijk?

Antwoord: Positieve DNA-supercoiling vergemakkelijkt het afwikkelen van DNA uit de histonen en verandert de nucleosoomstructuur in vitro; omgekeerd vormen nucleosomen snel negatief supercoiled DNA. Er wordt dus aangenomen dat in elk geval van transcriptie de positieve Supercoiling na het RNA-polymerase wordt geduwd. De geaccumuleerde positieve torsiestress veroorzaakt veranderingen in nucleosomen en zorgt voor omstandigheden waarin polymerase vakkundig door de gehele nucleosomale reeks wordt getranscribeerd.

V2 Is Supercoiling goed of slecht?

Antwoord: De Supercoiling van DNA is belangrijk omdat DNA een erg lang molecuul is, en het moet passen in een cel met een straal in de orde van micrometers. Het vereist een herhaalde lus binnen de wikkellussen om te passen, dit type wikkeling staat bekend als Supercoiling. Het regelt ook het transcriptie- en replicatieproces. 

Q3 Hoe neemt de positieve Supercoiling van DNA toe?

Antwoord: Positieve Supercoiling van DNA vindt plaats wanneer de rechtshandige, dubbele helix van DNA veel strakker wordt gebogen (verwrongen in een rechts-gegeven ontwerp) totdat de helix begint te knopen.

Q4 Negatieve Supercoiling in bacteriën

Antwoord: Bacterieel DNA vertoont over het algemeen negatieve Supercoiling in bacteriële cellen omdat het een tekort aan spiraalvormige windingen bevat. In zijn B-DNA-structuur maken de strengen van de dubbele DNA-helix één volledige draai na elke 10.5 basenparen. Verhoging van het aantal windingen maakt de dubbele DNA-helix strakker en resulteert in een kronkelende houding vanwege de axiale kronkeling in de dubbele DNA-helix. Het elimineren van bochten door de duplex onderop te winden heeft het tegenovergestelde effect, waardoor de duplex negatief kronkelt.

V5 Waarom is negatieve Supercoiling belangrijk?

Antwoord: Negatieve Supercoiling heeft een belangrijke natuurlijke functie van strengscheiding van DNA tijdens replicatie en transcriptie. Strandscheiding vermindert de torsiespanning in negatief supercoiled DNA. Op deze manier is het energetisch goedkoper om strengen in negatief supercoiled DNA te scheiden dan in het ontspannen DNA, en het verschil in energie wordt geleverd door DNA-relaxatie.

Q6 Waarom maakt positief supercoiling DNA DNA stabieler bij hoge temperaturen?

Antwoord: Positieve DNA-supercoiling verhoogt het aantal verbindingen tussen twee DNA-strengen. Een conformatie die weerstand biedt tegen door warmte geïnduceerde denaturatie aan de dubbele DNA-helix, maakt het stabiel onder hyperthermofiele omstandigheden. de plasmiden die waren geïsoleerd uit de bacterie die onder hyperthermofiele omstandigheden leefde, vertoonden een hoger koppelingsgetal in vergelijking met de plasmiden die waren geïsoleerd uit de bacterie die niet onder deze omstandigheden leefde.

Q7 Waarom migreert supercoil-plasmide-DNA met de minste weerstand door agarose in vergelijking met de andere vorm ex lineair?

Antwoord: Vanwege de supercoiled aard worden DNA-fragmenten kleiner in omvang en ondervinden ze dus minder wrijvingsbelemmering door de gel - dit resulteert in een snellere beweging van deze vorm van DNA dan andere vormen.

Vraag 8 Wat is het verschil tussen beperkte en onbeperkte DNA-supercoiling?

Antwoord: Het woord "onbeperkt" wordt gebruikt om Supercoiling in "vrij" DNA weer te geven vanwege topologische spanning. Het wordt niet ondersteund of is niet afhankelijk van eiwitten, voor wat het waard is in eukaryoten, waar ongeveer 147 basenparen van DNA rond het nucleosoom zijn gekruld, wat in wezen een histon-octameer is dat bestaat uit 2 eenheden histonen H2A, H2B, H3 en H4. Dit type Supercoiling wordt geclassificeerd als "beperkt" omdat de nucleosoomstructuur het beperkt.

Vraag 9 Welk enzym helpt bij het knippen van één streng DNA-duplex om de wikkeling van twee strengen vrij te maken?

Antwoord: Topoisomerase maakt knippen in streng en release coiling. Type I topoisomerases breken één streng van het dubbele helixvormige DNA. Het passeert de ongebroken DNA-streng door de opening en ligeert het gebroken uiteinde; type I topoisomerase zorgt voor een verandering in Lk met een toename van 1. Type II topoisomerases breken beide strengen van dubbele spiraalvormige DNA dubbele helix en veranderen Lk met een toename van 2.

Q10 Zijn bacteriële plasmiden rond of zijn ze supercoiled?

Antwoord: Bij veel soorten is bacterieel DNA circulair en negatief supercoiled. Een plasmide dat is gezuiverd uit Escherichia coli in de middengroei (exponentiële) fase wordt supercoiled tot de graad van σ = −0.06. In de cel is de onbeperkte Supercoiling ongeveer de helft van deze waarde.

Lees ook:

     

Laat een bericht achter