Конденсация ДНК относится к процессу уплотнения молекул ДНК in vitro или in vivo . [1] Механистические детали упаковки ДНК имеют важное значение для ее функционирования в процессе регуляции генов в живых системах. Конденсированная ДНК часто обладает удивительными свойствами, которые нельзя было бы предсказать из классических концепций разбавленных растворов. Поэтому конденсация ДНК in vitro служит модельной системой для многих процессов физики , биохимии и биологии . [2] Кроме того, конденсация ДНК имеет множество потенциальных применений в медицине и биотехнологии . [1]
Диаметр ДНК составляет около 2 нм, в то время как длина растянутой одиночной молекулы может достигать нескольких десятков сантиметров в зависимости от организма. Многие особенности двойной спирали ДНК способствуют ее большой жесткости, включая механические свойства сахарофосфатного остова, электростатическое отталкивание между фосфатами ( ДНК несет в среднем один элементарный отрицательный заряд на каждые 0,17 нм двойной спирали ), взаимодействия между основаниями каждой отдельной цепи и взаимодействия цепь-цепь. ДНК является одним из самых жестких природных полимеров, но при этом она является одной из самых длинных молекул. Длина устойчивости двухцепочечной ДНК (dsDNA) является мерой ее жесткости или гибкости, которая зависит от последовательности ДНК и окружающей среды, включая такие факторы, как концентрация соли, pH и температура. В физиологических условиях (например, при почти нейтральном pH и физиологических концентрациях соли) длина устойчивости dsDNA обычно составляет около 50 нм, что соответствует приблизительно 150 парам оснований. [1] Это означает, что на больших расстояниях ДНК можно рассматривать как гибкую веревку, а на коротких расстояниях — как жесткий стержень. Подобно садовому шлангу, неупакованная ДНК будет случайным образом занимать гораздо больший объем, чем когда она упорядоченно упакована. Математически для невзаимодействующей гибкой цепи, случайным образом диффундирующей в 3D, расстояние от конца до конца будет масштабироваться как квадратный корень длины полимера. Для реальных полимеров, таких как ДНК, это дает лишь очень грубую оценку; важно то, что пространство, доступное для ДНК in vivo , намного меньше пространства, которое она занимала бы в случае свободной диффузии в растворе. Чтобы справиться с ограничениями по объему, ДНК может упаковывать себя в соответствующих условиях раствора с помощью ионов и других молекул. Обычно конденсация ДНК определяется как «коллапс расширенных цепей ДНК в компактные, упорядоченные частицы, содержащие только одну или несколько молекул». [3] Это определение применимо ко многим ситуациям in vitro и также близко к определению конденсации ДНК у бактерий как «принятия относительно концентрированного, компактного состояния, занимающего часть доступного объема». [4] У эукариот размер ДНК и количество других участвующих игроков намного больше, а молекула ДНК образует миллионы упорядоченных нуклеопротеиновых частиц, нуклеосом , что является лишь первым из многих уровней упаковки ДНК. [1]
В вирусах и бактериофагах ДНК или РНК окружены белковым капсидом , иногда дополнительно окутаны липидной мембраной . Двухцепочечная ДНК хранится внутри капсида в форме катушки, которая может иметь различные типы намотки, приводящие к различным типам жидкокристаллической упаковки. Эта упаковка может меняться от гексагональной до холестерической и изотропной на разных стадиях функционирования фага. Хотя двойные спирали всегда локально выровнены, ДНК внутри вирусов не представляет собой настоящие жидкие кристаллы , поскольку ей не хватает текучести. С другой стороны, ДНК, конденсированная in vitro , например, с помощью полиаминов, также присутствующих в вирусах, является как локально упорядоченной, так и жидкой. [1]
Бактериальная ДНК упакована с помощью полиаминов и белков, называемых нуклеоид-ассоциированными белками . Белково-ассоциированная ДНК занимает около 1/4 внутриклеточного объема, образуя концентрированную вязкую фазу с жидкокристаллическими свойствами, называемую нуклеоидом. Другие исследования также показали, что геном бактерий занимает около 10-15% объема бактерий. [5] Подобная упаковка ДНК существует также в хлоропластах и митохондриях . Бактериальную ДНК иногда называют бактериальной хромосомой . Бактериальный нуклеоид эволюционно представляет собой промежуточное инженерное решение между безбелковой упаковкой ДНК у вирусов и белково-детерминированной упаковкой у эукариот. [1]
Сестринские хромосомы в бактерии Escherichia coli индуцируются стрессовыми условиями для конденсации и спаривания. [6] Конденсация, вызванная стрессом, происходит путем неслучайной, похожей на застежку-молнию конвергенции сестринских хромосом. Эта конвергенция, по-видимому, зависит от способности идентичных двухцепочечных молекул ДНК специфически идентифицировать друг друга, процесс, который достигает кульминации в близости гомологичных участков вдоль парных хромосом. Различные стрессовые условия, по-видимому, подготавливают бактерии к эффективной борьбе с серьезными повреждениями ДНК, такими как двухцепочечные разрывы. Аппозиция гомологичных участков, связанная с конденсацией хромосом, вызванной стрессом, помогает объяснить, как происходит восстановление двухцепочечных разрывов и других повреждений. [6]
Эукариотическая ДНК с типичной длиной в десятки сантиметров должна быть упорядоченно упакована, чтобы быть легко доступной внутри ядра микрометрового размера. У большинства эукариот ДНК организована в ядре клетки с помощью гистонов. В этом случае базовым уровнем уплотнения ДНК является нуклеосома, где двойная спираль обернута вокруг гистонового октамера, содержащего две копии каждого гистона H2A , H2B , H3 и H4 . Линкерный гистон H1 связывает ДНК между нуклеосомами и облегчает упаковку нуклеосомной цепи «бусины на нитке» размером 10 нм в более конденсированное волокно размером 30 нм. Большую часть времени между делениями клеток хроматин оптимизирован для обеспечения легкого доступа факторов транскрипции к активным генам , которые характеризуются менее компактной структурой, называемой эухроматином , и для облегчения доступа белков в более плотно упакованных областях, называемых гетерохроматином . Во время деления клетки уплотнение хроматина увеличивается еще больше, образуя хромосомы , которые могут справиться с большими механическими силами, втягивающими их в каждую из двух дочерних клеток. [1] Многие аспекты транскрипции контролируются химической модификацией гистоновых белков, известной как гистоновый код .
Хромосомный каркас играет важную роль в удержании хроматина в компактной хромосоме. Хромосомный каркас состоит из белков, включая конденсин , топоизомеразу IIα и член семейства кинезинов 4 (KIF4) [7]
Динофлагелляты — очень разные эукариоты с точки зрения того, как они упаковывают свою ДНК. Их хромосомы упакованы в жидкокристаллическом состоянии. [8] Они утратили многие из сохранившихся генов гистонов, используя вместо этого для упаковки в основном вирусные нуклеопротеины динофлагеллят (DVNP) или полученные из бактерий гистоноподобные белки динофлагеллят (HLP). Неизвестно, как они контролируют доступ к генам; те, которые сохраняют гистон, имеют специальный гистоновый код . [9] [10]
В зависимости от организма архея может использовать для упаковки бактериоподобную систему HU или эукариотоподобную нуклеосомную систему. [11]
Конденсация ДНК может быть вызвана in vitro либо путем применения внешней силы для соединения двойных спиралей, либо путем индукции притягивающих взаимодействий между сегментами ДНК. Первое может быть достигнуто, например, с помощью осмотического давления, оказываемого скучиванием нейтральных полимеров в присутствии одновалентных солей. В этом случае силы, толкающие двойные спирали вместе, возникают из-за энтропийных случайных столкновений с скучивающимися полимерами, окружающими конденсаты ДНК, а соль требуется для нейтрализации зарядов ДНК и уменьшения отталкивания ДНК-ДНК. Вторая возможность может быть реализована путем индукции притягивающих взаимодействий между сегментами ДНК многовалентными катионными заряженными лигандами (многовалентные ионы металлов , неорганические катионы , полиамины , протамины , пептиды , липиды , липосомы и белки ). [1]
Конденсация длинных двуспиральных ДНК представляет собой резкий фазовый переход , который происходит в узком интервале концентраций конденсирующего агента.[ref] Поскольку в конденсированной фазе двойные спирали очень близко подходят друг к другу, это приводит к перестройке молекул воды, что приводит к возникновению так называемых сил гидратации.[ref] Чтобы понять притяжение между отрицательно заряженными молекулами ДНК, необходимо также учитывать корреляции между противоионами в растворе.[ref] Конденсация ДНК белками может демонстрировать гистерезис, который можно объяснить с помощью модифицированной модели Изинга . [12]
В настоящее время описания регуляции генов основаны на приближениях равновесного связывания в разбавленных растворах , хотя ясно, что эти предположения фактически нарушаются в хроматине . Приближение разбавленного раствора нарушается по двум причинам. Во-первых, содержание хроматина далеко от разбавленного, и, во-вторых, количество участвующих молекул иногда настолько мало, что не имеет смысла говорить об объемных концентрациях. Дальнейшие отличия от разбавленных растворов возникают из-за разной аффинности связывания белков с конденсированной и неконденсированной ДНК. Таким образом, в конденсированной ДНК могут изменяться как скорости реакций, так и их зависимость от концентраций реагентов может стать нелинейной. [1]