Sivolob - Molekulyarna_biologiya_Pidruchnik

Розділ 3. ДНК

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1.З яких трьох елементів складається нуклеотид? Назвіть основні фізико-хімічні властивості цих елементів.

2.Чим хімічно відрізняються між собою рибо- і дезоксирибонуклеїнові кислоти?

3.Між якими хімічними групами утворюється полінуклеотидний ланцюг за рахунок ковалентного зв'язку ? Як позначаються кінці ланцюга й чому саме так?

4.Опишіть основні риси структури подвійної спіралі ДНК.

5.Які взаємодії стабілізують подвійну спіраль? Що лежить в основі комплементарності нуклеотидів і яке значення має комплементарність для стабілізації спіралі?

6.Які структурні форми подвійних спіралей нуклеїнових кислот ви знаєте? Чим вони відрізняються? Які з цих форм є основними формами існування подвійних спіралей ДНК і РНК in vivo?

7.Які конформаційні параметри характеризують вигин і ступінь спіральної закрутки молекули ДНК?

8.Напишіть усі типи динуклеотидних контактів у складі полінуклеотидного ланцюга та у складі подвійної спіралі. Як і чому різняться ці два набори контактів?

9.Чим визначається локальна конформація та динамічні властивості подвійної спіралі?

10.Назвіть основні структурні мотиви білків, котрі взаємодіють із

ДНК. Які елементи структури білків залучаються до взаємодії,

із якими структурними елементами подвійної спіралі?

11.Взаємодії якого типу реалізуються між ДНК і білками?

12.До чого приводить взаємодія елементів регулярної вторинної структури білків з маленьким жолобком ДНК?

13.Сформулюйте головний принцип, за яким здійснюється специфічне впізнання білком певної послідовності пар основ ДНК.

14.Що таке число зчеплень, твіст і райзинг циркулярної ДНК? Як співвідносяться ці величини? Що таке топоізомер?

15.Як виникає надспіралізація в циркулярних ДНК? Яка різниця між негативною та позитивною надспіралізацією?

16.У чому полягають основні механізми роботи й функціональне значення ДНК-топоізомераз?

101

Сиволоб А.В. Молекулярна біологія

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

Вологодский, А.В. Топология и физические свойства кольцевых ДНК. – М. : Наука, 1988.

Зенгер, В. Принципы структурной организации нуклеиновых ки-

слот. – М. : Мир, 1987.

Уотсон, Дж. Д. Двойная спираль. Воспоминания об открытии структуры ДНК. – М. : Регулярная и хаотическая динамика, 2001.

Франк-Каменецкий, М.Д. Век ДНК. – М. : КДУ, 2004.

Anderson, C.F., Record, M.T. Salt-nucleic acid interactions // Annu. Rev. Phys. Chem. – 1995. – Vol. 46. – P. 657–700.

Calladine, C.R., Drew, H.R. Principles of sequence-dependent flexure of DNA // J. Mol. Boil. – 1986. – Vol. 192. – Р. 907–918.

Champoux, J.J. DNA topoisomerases: structure, function and mechanism // Annu. Rev. Biochem. – 2001. – Vol. 70. –Р. 369–413.

Dickerson, R.E. DNA structure from A to Z. // Methods Enzymol.

– 1992. – Vol. 211. – Р. 67–111.

Garvie, C.W., Wolberger, C. Recognition of specific DNA sequences // Mol. Cell. –2001. – Vol. 8. – Р. 937–946.

Olson, W.K., Gorin, A.A., Lu, X.-J. et al. V.B. DNA sequence-dependent deformability deduced from protein-DNA crystal complexes // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 1998. – Vol. 95. – Р. 11163–11168.

Olson, W.K., Zhurkin, V.B. Modeling DNA deformations // Curr. Op. Struct. Biol. – 2000. – Vol. 10. – Р. 286–297.

Sarai, A., Kono, H. Protein-DNA recognition patterns and predictions // Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. – 2005. – Vol. 34. – Р. 379–398.

Vologodskii, A.V., Cozzarelli, N.R. Conformational and thermodynamic properties of supercoiled DNA // Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct.

– 1994. – Vol. 23. – Р. 609–643.

Yakovchuk, P., Protozanova, E., Frank-Kamenetskii, M.D. Base-stacking and base-pairing contributions into thermal stability of the DNA double helix // Nucl. Acids Res. – 2006. – Vol. 34. – Р. 564–574.

102

Сиволоб А.В. Молекулярна біологія

корових гістонів. І навпаки, компактизація фібрили за участю хвостів корових гістонів сприяє зв'язуванню Н1 із наближеними у просторі ділянками лінкерів.

а

б

Рис. 4.16. Зиґзаґоподібна конфігурація полінуклеосомної нитки (а)

іструктура компактизованого елемента такої нитки

укристалах тетрануслеосом (б, 1ZBB)

+ Н1

Рис. 4.17. Роль Н1-залежного стебла на виході з нуклеосоми у стабілізації компактного стану хроматинової фібрили.

Отже, суперструктура конденсованої фібрили товщиною 30 нм являє собою тривимірний зиґзаґ нуклеосом, з'єднаних практично прямими – без вигинів – лінкерами, які спрямовані всередину фібрили. Усередині містяться також і гістони Н1; сумісна дія Н1 і хвостів корових гістонів підтримує компактний стан фібрили.

Фібрила товщиною 30 нм – основна форма існування інтерфазного хроматину. Але у хроматині існує значна гетерогенність за ступенем конденсації. З одного боку, передумовою активації окремих ділянок хроматину є деконденсація фібрили. Факторами такої деконденсації є зниження спорідненості до ДНК хвостів корових гістонів унаслідок їхнього ацетилювання (зниження позитивного заряду) і тимчасова дисоціація Н1. Дисоціації Н1 сприяє ацетилю-

126

Розділ 4. Організація днк у клітинах: геноми та структура хроматину

вання хвостів корових гістонів, а також посттрансляційні модифікації самого Н1, зокрема фосфорилювання. Деконденсація фібрили та дисоціація Н1 створюють можливість взаємодії з ДНК різноманітних негістонових білків, що врешті-решт і викликає активацію транскрипції (див. розділ 6).

З іншого боку, у репресованих ділянках хроматинова фібрила може бути як додатково стабілізованою в компактному стані, так і піддаватися компактизації вищого порядку. Частина хроматину, що зберігає стан підвищеної компактизації протягом інтерфази, називається гетерохроматином (решта хроматину, де в принципі може відбуватися активація транскрипції, позначається як еухроматин). Утворення гетерохроматину здійснюватися, головним чином, у ділянках, що містять повтори – у центромерах, теломерах, зонах концентрації мобільних елементів. Деталі структури гетерохроматину залишаються нез'ясованими, механізми встановлення та підтримання неактивного конденсованого стану гетерохроматину розглядаються в розділі 6.

Петльові домени хроматину та ядерний матрикс

На наступному рівні структурної організації у клітинному ядрі хроматинова фібрила формує петлі, кінці яких є жорстко закріпленими на скелетних структурах клітинного ядра – ядерному матриксі (рис. 4.18). Оскільки основи петлі фіксуються на матриксі, ДНК у складі петлі має топологічні обмеження, тобто є еквівалентною циркулярній (див. розділ 3). Одна петля, що містить від 20 до 200 тис. пар основ ДНК (один або кілька генів), часто розглядається як важливий елемент регуляції процесів транскрипції та реплікації.

Із білками матриксу взаємодіють ділянки ДНК довжиною від 300 до 1 тис. пар основ – ділянки, асоційовані з матриксом (MAR, Matrix Associated Regions). Вони не мають між собою гомології щодо послідовності, часто є збагаченими на АТ-пари. Вважається, що більшість функціональних процесів, які відбуваються на ДНК, розпочинається саме на матриксі, тобто на MAR.

Ядерний матрикс – це система білкових філаментів, яка формує структурний каркас ядра. На периферії ядра розташована особлива частина матриксу, асоційована із внутрішньою ядерною мембраною – ядерна ламіна. Філаменти ламіни протягнуті від однієї ядерної пори до іншої і позиціонують порові комплекси у площині мембрани. Подвійна ядерна мембрана, ядерні пори й ламіна утворюють єдину систему – ядерний конверт. Від ламіни всередину ядра протягнуті філаменти

127

Сиволоб А.В. Молекулярна біологія

внутрішнього ядерного матриксу. З ламіною взаємодіє значна частина гетерохроматину, зокрема центромери та теломери хромосом. Еухроматинова частина хромосоми “звисає” всередину ядра, де хроматинові петлі закріплюються на внутрішній частині матриксу. У результаті хромосома займає певну зону в об'ємі ядра – хромосомну територію.

Петля

хроматинової

фібрили

Філамент	Ділянка,
ядерного	асоційована з
матриксу	матриксом (MAR)

Рис. 4.18. Схема петльової організації хроматину

Усе, про що йшлося вище, стосується організації хроматину та хромосом в інтерфазному ядрі. Коли клітина вступає в процес мітозу, після реплікації ДНК починається утворення надкомпактної мітотичної хромосоми, деталі структурної організації якої залишаються недостатньо зрозумілими. Одночасно з компактизацією хроматинової фібрили частина ламіни “розчиняється” разом із ядерною мембраною, інша частина, разом із внутрішнім матриксом, перебудовується з утворенням білкового каркасу мітотичної хромосоми – хромосомного скефолду (scaffold), з яким залишаються зв'язаними основи хроматинових петель.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1.Дайте визначення кодона і відкритої рамки зчитування. Скільки існує кодонів? Які позиції нуклеотидів у складі кодона є найбільш

інайменш визначальними?

2.Що таке ген?

3.Що таке геном? У чому полягає найсуттєвіша відмінність між геномами прота еукаріотів?

4.У чому полягає перекриття генів у вірусів та еукаріотів?

5.Дайте визначення інтрона і екзона.

128

Розділ 4. Організація днк у клітинах: геноми та структура хроматину

6.Яка різниця між кластером генів і опероном?

7.Назвіть основні типи послідовностей ДНК, що повторюються.

8.З яких елементів складається нуклеосома? Яке місце в її структурі належить білкам? Як організована у просторі ДНК у нуклеосомі?

9.Які взаємодії стабілізують нуклеосому? За яким принципом відбувається збирання нуклеосоми?

10.У чому полягає механізм позиціювання нуклеосом відносно послідовності ДНК?

11.Назвіть основні типи посттрансляційних модифікацій гістонів. Які амінокислотні залишки піддаються модифікаціям? В яких частинах молекул гістонів ці залишки розташовані?

12.Як організована хроматинова фібрила у просторі? За яким основним механізмом фібрила піддається компактизації? У чому полягає роль гістону Н1?

13.Що таке ядерний матрикс і яку участь він бере в організації хроматину в клітинному ядрі?

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

Akey, C.W., Luger K. Histone chaperones and nucleosome assembly // Curr. Op. Struct. Biol. – 2003. – Vol. 13. – Р. 6–14.

Bednar, J., Horowitz, R.A., Grigoryev, S.A. et al. Nucleosomes, linker DNA, and linker histone form a unique structural motif that directs the higher-order folding and compaction of chromatin // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 1998. – Vol. 95. – Р. 14173–14178.

Brown T.A. Genomes. – New York ; London: Garland Science, 2002. Chromatin structure and gene expression: frontiers in molecular biology

/eds. S. Elgin, J.L. Workman. – Oxford : Oxford University Press, 2002. Chromatin structure and dynamics: state-of-the-art. New Comprehen-

sive Biochemistry / eds. J. Zlatanova, S.H. Leuba. Amsterdam : Elsevier, 2004. – Vol. 39.

The ENCODE Project Consortium. Identification and analysis of functional elements in 1 % of the human genome by the ENCODE pilot project // Nature. – 2007. – Vol. 447. – 799–816.

Gerstein, M.B., Bruce, C., Rozowsky, J.S. et al. What is a gene, postENCODE? History and updated definition // Genome Res. – 2007.

– Vol. 17. – Р. 669–681.

Gruenbaum, Y., Margalit, A., Goldman, R.D. et al. The nuclear lamina comes of age // Nat. Rev. – 2005. – Vol. 6. – Р. 21–31.

129

Сиволоб А.В. Молекулярна біологія

International Human Genome Sequencing Consortium. Initial sequencing and analysis of the human genome // Nature. – 2001. – Vol. 409.

– Р. 860–921.

International Human Genome Sequencing Consortium. Finishing the euchromatic sequence of the human genome // Nature. – 2004.

– Vol. 431. –Р. 931–945.

Koonin, E.V. How many genes can make a cell: the minimal-gene-set concept // Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. – 2000. – Vol. 1.– Р. 99–116.

Lesk, A.M. Introduction to bioinformatics. – New York : Oxford University Press, 2002.

Luger, K., Richmond, T. J. DNA binding within the nucleosome core // Curr. Op. Struct. Biol. – 1998. – Vol. 8. – Р. 33–40.

Luger, K., Richmond, T.J. The histone tails of the nucleosome // Curr. Opin. Genet. Dev. – 1998. – Vol. 8 – Р. 140–146.

Pearson, H. Genetics: what is a gene? // Nature. – 2006. – Vol. 441.

– Р. 398–401.

Ramakrishnan, V. Histone H1 and chromatin higher-order structure // Crit. Rev. Eukaryot. Gene Expr. – 1997. – Vol. 7. – Р. 215–230.

Simpson, R.T. Nucleosome positioning: occurrence, mechanisms, and functional consequences // Prog. Nucl. Acid Res. Mol. Biol. – 1991.

– Vol. 40. – Р. 143–184.

Sivolob, A., Prunell, A. Nucleosome conformational flexibility and implications for chromatin dynamics // Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. A.– 2004. – Vol. 362. – Р. 1519–1547.

Strahl, D.D., Allis, C.D. The language of covalent histone modifications // Nature. – 2000. – Vol. 403. – Р. 41–45.

Tremethick, D.J. Higher-order structures of chromatin: the elusive 30 nm fiber // Cell. – 2007. – Vol. 128. – Р. 651–654.

Wu, H.-L., Bagby, S., van den Elsen J.M.H. Evolution of the genetic triplet code via two types of doublet codons // J. Mol. Evol. – 2005.

– Vol. 61. – Р. 54–64.

130