Superavvolgimento del DNA: 7 fatti rapidi completi

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Cos'è il Superavvolgimento? | Superavvolgimento del DNA

Il DNA di una cellula come tutti sappiamo è molto compatto, deducendo un più alto livello di organizzazione strutturale. Il meccanismo di piegatura del DNA impacchetta il DNA cellulare in modo che le informazioni all'interno del DNA rimangano accessibili.

Dobbiamo esaminare attentamente la struttura di base del DNA per comprendere meglio la replicazione del DNA e il processo di trascrizione. Abbiamo bisogno di avere una conoscenza preliminare di una proprietà cruciale della struttura del DNA che è superavvolgimento.

Il superavvolgimento implica l'ulteriore avvolgimento di una struttura a spirale. Diciamo, ad esempio, che il cavo di un telefono è normalmente un cavo a spirale. Il filo tra il corpo del telefono e il ricevitore spesso incorpora almeno un superavvolgimento. I due filamenti di DNA si avvolgono l'uno attorno all'altro per produrre la struttura a doppia elica del DNA. L'avvolgimento nell'asse del DNA provoca il superavvolgimento. Il superavvolgimento nel DNA per la maggior parte è un segno di ceppo strutturale sottostante. Quando non c'è piegatura assiale del DNA risultante, il DNA è considerato in stato rilassato.

Superavvolgimento del DNA
Figura: DNA Supercoiling, livelli di superavvolgimento trovati nel DNA. In breve, assomiglia all'avvolgimento del cavo telefonico
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Epigenetic_mechanisms.png

Potremmo aver anticipato che il processo di compattazione del DNA includeva alcuni superavvolgimenti. Forse meno sorprendente è che la replicazione e la trascrizione del DNA influenzino e siano ulteriormente influenzate dal superavvolgimento. Sia la replicazione che la trascrizione richiedono il distacco dei filamenti di DNA e lo svolgimento elicoidale del DNA.

  • Quel DNA stesso si torcerebbe e diventerebbe superavvolto in un DNA compatto nella cellula sembrerebbe sensato, a quel punto, e forse anche insignificante.
  • Tuttavia, diverse molecole di DNA circolari rimangono eccezionalmente superavvolte anche dopo la loro estrazione e purificazione.
  • Ciò suggerisce che il superavvolgimento è una proprietà intrinseca del DNA. Avviene in ogni DNA cellulare ed è eccezionalmente regolato da ogni cellula.
  • Varie proprietà misurabili del superavvolgimento sono state standardizzate e l'indagine sul superavvolgimento ne ha fornite numerose approfondimenti sulla struttura del DNA e la sua funzione.
  • Questa indagine si basa sulle idee della topologia e sull'indagine delle proprietà di un oggetto che non cambia in condizioni dinamiche.

Per il DNA, le deformazioni consistenti incorporano cambiamenti conformazionali dovuti al movimento termico o all'interazione proteica o ad altri agenti chimici; le deformazioni intermittenti includono la rottura del filamento di DNA. Per un DNA circolare le proprietà topologiche non sono influenzate dai cambiamenti strutturali nei filamenti di DNA se non sono presenti rotture del filamento. Le proprietà topologiche sono disturbate esclusivamente dalla rottura dello scheletro zucchero-fosfato e dalla ricongiunzione di uno dei due filamenti di DNA. Attualmente esaminiamo le caratteristiche fondamentali e le basi fisiche del superavvolgimento.

La maggior parte del DNA cellulare è sotto lesione

Per riconoscere il superavvolgimento, dovremmo inizialmente concentrarci sulle caratteristiche di piccoli DNA circolari come piccoli DNA virali e plasmidi. Se il DNA non ha rotture in nessuno dei filamenti, è considerato un DNA circolare chiuso. Supponiamo che il DNA di una molecola di DNA circolare si allinei strettamente per formare una struttura di forma B, come menzionato da Watson-Crick. Il giro di B-DNA è costituito da 10.5 bp; quindi, il DNA è rilassato anziché superavvolto.

Il superavvolgimento si osserva quando il DNA è sottoposto a deformazione strutturale. Il DNA circolare purificato si trova molto raramente nello stato rilassato, indipendentemente dalla sua origine. Inoltre, il DNA ha un grado caratteristico di superavvolgimento che dipende dalla sua fonte o origine. La struttura del DNA è tesa in modo che possa subire un superavvolgimento. In quasi tutti gli eventi, il ceppo è il risultato del sottoavvolgimento del DNA circolare a doppia elica.

  • Vale a dire, e il DNA ha meno giri elicoidali rispetto alla struttura del B-DNA.
  • Il B-DNA contiene 10.5 paia di basi (bp) in un giro.
  • Quindi, un frammento di 84 bp di un DNA circolare rilassato avrebbe otto giri elicoidali. Oppure un giro per ogni 10.5 bp.
  • Se uno di questi turni viene rimosso, ci sarebbe (84 bp)/7 = 12.0 bp per turno, invece dei 10.5 trovati nel B-DNA.

È una deviazione dalla forma più stabile della struttura del DNA e la molecola del DNA viene sollecitata termodinamicamente di conseguenza. Di solito, un sacco di ceppo sarebbe depositato avvolgendo l'asse del DNA su se stesso per inquadrare un superavvolgimento una parte del ceppo in questa sezione di 84 bp verrebbe semplicemente dispersa nella struttura non attorcigliata della particella di DNA più grande).

A livello di base, il ceppo può essere indotto segregando i due filamenti di DNA per una distanza di circa dieci bp.

Nel DNA circolare, il ceppo presentato dall'underwinding è generalmente depositato dal superavvolgimento anziché dalla segregazione del filamento, poiché l'avvolgimento nell'asse del DNA di solito richiede meno energia rispetto alla rottura dei legami idrogeno tra coppie di basi complementari. 

Nota importante: nonostante l'underwinding del DNA in vivo renda più semplice la separazione dei filamenti di DNA, offrendo l'accesso alle informazioni genetiche che contengono.

Ogni cellula assorbe costantemente il suo DNA con l'aiuto di cicli enzimatici e il successivo stato di tensione costituisce una sorta di energia immagazzinata. Le cellule mantengono il DNA sottoforma in modo che possa facilmente subire l'avvolgimento. Il sottoavvolgimento del DNA è di fondamentale importanza per il DNA enzimi metabolizzanti che necessitano della separazione dei filamenti come componente della loro funzione.

Lo stato underwound viene mantenuto tale solo nel caso di DNA circolare chiuso, oppure deve essere legato con proteine ​​(istones) in modo che i filamenti non si avvolgano l'uno sull'altro. Se il filamento di un DNA circolare si rompe segregato e non legato alle proteine, il libero movimento o rotazione nel punto porterà il DNA sotto lesione a tornare immediatamente al suo stato rilassato. Nel DNA circolare, il numero di spire elicoidali conferisce il grado di superavvolgimento.

Il numero di collegamento topologico definisce l'underwinding del DNA

La topologia fornisce vari pensieri utili per questa conversazione, in particolare l'idea di collegare il numero. Il numero di collegamento è una proprietà basata sulle caratteristiche topologiche del DNA a doppia elica poiché non cambia se il DNA si deforma o si piega senza rompersi. Il numero di collegamento (Lk) è dimostrato in.

Dovremmo iniziare immaginando la segregazione dei due filamenti di un DNA circolare a doppia elica. Se i due filamenti sono collegati, sono collegati in modo produttivo attraverso un legame topologico. Indipendentemente da tutte le interazioni di impilamento delle basi e dai legami idrogeno, il legame topologico unisce ancora i due filamenti.

Se consideriamo un filamento di un DNA circolare come superficie (ad esempio, un film di sapone), il numero di collegamento è rappresentato come il numero di penetrazioni superficiali causate dal secondo filamento. Per un DNA circolare, il numero di collegamento è sempre un valore intero.

Convenzionalmente, il numero di collegamento è positivo quando i filamenti della doppia elica del DNA si intrecciano in un'elica destrorsa. Se i filamenti della doppia elica del DNA si intrecciano in un'elica sinistrorsa, il numero di collegamento risulta negativo. I numeri di collegamento negativi non si incontrano praticamente nel DNA.

Quando la molecola di DNA circolare è rilassata, il numero di collegamento può essere facilmente determinato da diverse coppie di basi nella molecola di DNA per coppia di basi per giro (~10.5). Per un DNA circolare avente 2100 bp, mostrerà un numero di collegamento di 200.

Il numero di collegamento viene calcolato per quelle molecole di DNA che non si rompono in nessuno dei filamenti di DNA. In caso di rottura del filo non esistono legami topologici; quindi il numero di collegamento rimane indefinito.

Ora siamo in grado di ritrarre l'underwinding del DNA come risultato del cambiamento del numero di collegamenti. Il numero di collegamento nel DNA rilassato, Lk0, è utilizzato come fonte di prospettiva (riferimento). Per una molecola di DNA avente numero di collegamento = 200 (Lk0 = 200), se vengono estratti o rimossi due giri da questa molecola di DNA, Lk = 198. L'equazione può rappresentare il cambiamento:

Lk = Lk – Lk0

Lk = 198 – 200 = -2

È molto meglio esprimere il cambiamento nel numero di collegamento in termini di differenza di collegamento specifica (σ) o densità superelica (questa quantità non dipende dalla lunghezza del DNA). Il numero di collegamento specifico è matematicamente definito come il numero di giri rimossi (cambiamento nel numero di collegamento) diviso per diversi giri presenti nello stato rilassato del DNA.

σ = ∆Lk/Lk0

quindi, per una molecola di DNA avente un numero di legame di 200, se vengono rimossi due giri da essa, la differenza di legame specifica diventa

= -2/200 = -0.01 

dimostra che 2 su 200 (1%) delle spire elicoidali totali presenti nella molecola di B-DNA vengono rimosse.

Superavvolgimento positivo | Superavvolgimento negativo

Il grado di underwinding del DNA cellulare è generalmente compreso tra il 5% e il 7%; ovvero da -0.05 a -0.07. Questo segno negativo mostra che ci si aspetta che un cambiamento nel numero di collegamento subisca o a causa dell'indebolimento del DNA. Il superavvolgimento innescato da underwinding è in questo modo caratterizzato come superavvolgimento negativo. In alternativa, in determinate condizioni, il DNA può essere avvolto, determinando un superavvolgimento positivo.

Nota importante: Il percorso di torsione nell'asse del DNA causato da un superavvolgimento positivo (DNA sovraavvolto) è l'immagine speculare della torsione dell'asse del DNA causata da un superavvolgimento negativo (DNA sottoavvolto).

Il superavvolgimento non è certamente un'interazione arbitraria; il superavvolgimento è generalmente diretto dal ceppo torsionale conferito al DNA aumentando o diminuendo il numero di legame del B-DNA. 

Il numero di collegamento cambia di uno dalla rottura di un filamento di DNA, ruotando una delle estremità di 360o circa il filo (ininterrotto) e ricongiungendo le estremità rotte del B-DNA.

Questo cambiamento non disturba il numero di coppie di basi o atomi nel DNA circolare. Vengono chiamati due tipi di DNA circolare che variano in una proprietà topologica (ad esempio, numero di collegamento) topoisomeri.

superavvolgimento positivo e negativo
Figura: rappresentazione del superavvolgimento positivo e negativo nel DNA https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/98/Subhash_nucleoid_06.png

Il numero di collegamento può essere diviso in due componenti principali noti come Twist (Tw) e Writhe (Wr). Questi sono più difficili da ritrarre rispetto al numero di collegamento. Tuttavia, writhe potrebbe essere considerato un atto di avvolgimento dell'asse elicoidale e Twist è determinato come la relazione spaziale delle coppie di basi vicine e la torsione locale. A questo punto, il cambiamento nel numero di collegamento si traduce in un cambiamento nella proporzione di deformazione che normalmente è compensata da writhe (superavvolgimento) e poco da variazioni nel Twist, è seguito dall'equazione:

Lk Tw Wr

Tw e Wr non sono necessariamente interi. Writhe e Twist sono proprietà geometriche anziché proprietà topologiche poiché le distorsioni potrebbero modificarle nel DNA circolare.

Provocano il superavvolgimento e rendono la segregazione dei fili molto più semplice. Il underwinding del DNA lavora in coniugazione con molti altri cambiamenti strutturali nel DNA circolare. Questi sono di minore importanza fisiologica, tuttavia aiutano a mostrare gli impatti del sottoavvolgimento.

Un cruciforme di solito contiene diverse basi spaiate; Il DNA underwinding aiuta a mantenere la necessaria separazione dei filamenti. Il sottoavvolgimento del DNA a doppia elica destrorsa risulta nella formazione di brevi chiazze di Z-DNA mancino in punti con la sequenza nucleotidica coerente con lo Z-DNA.

Topoisomerasi | Modifica del numero di collegamento | Introduzione del superavvolgimento negativo

Il superavvolgimento del DNA è un processo che influisce sul metabolismo del DNA. Ogni cellula ha enzimi specifici con la sola capacità di avvolgere o potenzialmente rilassare la doppia elica del DNA. Gli enzimi che causano una diminuzione o un aumento dell'underwinding del DNA sono noti come topoisomerasi; di solito cambiano il numero di collegamento del DNA per mantenere il superavvolgimento.

topoisomerasi
Figura: meccanismo d'azione e inibizione della topoisomerasi
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Topoisomerase_DNA.gif#/media/File:Topoisomerase_DNA.gif

Questi enzimi svolgono un ruolo particolarmente significativo nel processo di confezionamento del DNA e nella replicazione del DNA. In linea di massima la topoisomerasi è classificata in due tipi principali:

  • La topoisomerasi di tipo I rompe un filamento dal DNA a doppia elica. Passa il filamento ininterrotto di DNA attraverso lo spazio vuoto e lega l'estremità rotta; la topoisomerasi di tipo I determina una variazione di Lk con l'incremento di 1. 
  • Le topoisomerasi di tipo II rompono entrambi i filamenti della doppia elica del DNA a doppia elica e cambiano Lk con un incremento di 2.

Gli impatti delle topoisomerasi sulla topologia del DNA possono essere descritti mediante elettroforesi su gel (agarosio). Una popolazione di DNA plasmidici simili con lo stesso numero di collegamento viaggia come una banda discontinua durante l'elettroforesi. Con questa tecnica si possono isolare topoisomeri che variano anche solo di 1 Lk, in modo da poter facilmente identificare la variazione del numero di legami provocata dalle topoisomerasi.

E. coli ha quattro topoisomerasi individuali distintive (da I a IV). Il tipo I (include le topoisomerasi I e III): 

di solito rilassano la doppia elica del DNA eliminando i superavvolgimenti negativi (quindi aumentando il valore di Lk). Viene spiegato in che modo le topoisomerasi batteriche di tipo I aumentano il numero di collegamento. Una topoisomerasi batterica di tipo II o DNA girasi, è in grado di indurre superavvolgimenti negativi e alla fine di ridurre il valore di Lk.

Utilizza l'energia dell'ATP per raggiungere questo obiettivo. Per modificare il numero di collegamento della doppia elica del DNA, le topoisomerasi di tipo II separano i due filamenti della doppia elica del DNA e in seguito consentono di attraversare un altro duplex attraverso la rottura. Il livello di superavvolgimento del DNA batterico è completamente sotto la regolazione delle topoisomerasi I e II. Gli eucarioti hanno inoltre topoisomerasi sia di tipo I che di tipo II.

Le topoisomerasi I e III appartengono alla classe degli enzimi di tipo I; mentre gli enzimi di tipo II includono le topoisomerasi II-α e II-β. Le topoisomerasi eucariotiche di tipo II non possono sottomettere il DNA (indurre un superavvolgimento negativo), tuttavia possono rilassare il superavvolgimento negativo e positivo.

superavvolgimento e induzione negativa
Figura: Induzione del superavvolgimento negativo nel DNA https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Subhash_nucleoid_04.png#/media/File:Subhash_nucleoid_04.png

Ne considereremo uno probabilmente l'inizio di supercoil negativi cellule eucariotiche nella nostra conversazione sulla cromatina nella nostra discussione successiva.

La compattazione del DNA ha bisogno del superavvolgimento

La doppia elica del DNA superavvolta è uniforme sotto vari aspetti. Il Superavvolgimento è destrorso in una molecola di DNA che è superavvolto negativamente e tendono ad essere stretti ed estesi invece di esibire una struttura compatta con numerosi rami. A questa densità superelicoidale che si verifica tipicamente nelle cellule, la lunghezza dell'asse di superavvolgimento con rami, costituisce circa il 40% della lunghezza totale del DNA.

Questo tipo di Superavvolgimento è noto come Superavvolgimento plectonemico (è una combinazione delle parole greche "plektos" significa "curvo" e "nema" significa "corda").

Questo termine si applica a qualsiasi disegno con fili interlacciati regolarmente ed è una descrizione decente della struttura complessiva del DNA superavvolto nel Superavvolgimento plectonemico. La struttura mostrata nei DNA separati in laboratorio non fornisce una compattazione adeguata al DNA cellulare compresso. Il secondo tipo di Superavvolgimento, noto come solenoidale, può essere prodotto da un DNA sotto lesione.

Solenoide struttura in fibra da 30 nm più vicina e più lontana
Figura: un esempio di superavvolgimento solenoide trovato nel DNA https://en.wikipedia.org/wiki/File: Solenoid_30_nm_fibre_structure_closer_and_farther_away.png

A differenza della forma plectonemica (caratterizzata da un Superavvolgimento destrorso esteso), il Superavvolgimento solenoidale è caratterizzato da curve strette verso sinistra. Indipendentemente dal fatto che le loro strutture siano drasticamente diverse l'una dall'altra, solenoidale e plectonemico sono due tipi di Superavvolgimento negativo che un simile frammento di DNA sotto lesione può assumere.

Le due strutture sono spesso interconvertibili. Tuttavia, la struttura plectonemica è più stabile. Ma la struttura solenoidale è spesso stabilizzata dal legame proteico, che è la struttura che si trova nella cromatina. Dà un livello di compattazione molto più alto. Nel Superavvolgimento Solenoide, il sottoavvolgimento contribuisce alla compattazione del DNA.

Conclusioni

In questo articolo abbiamo discusso approfonditamente del meccanismo di superavvolgimento del DNA e degli enzimi e delle proteine ​​coinvolte nel processo di superavvolgimento. Continueremo a discutere più aspetti del DNA nei prossimi post. Per conoscere la composizione del DNA clicca qui

Intervista Q&A

Q1 Perché il Superavvolgimento positivo è importante?

Risposta: Il superavvolgimento del DNA positivo facilita lo svolgimento del DNA dagli istoni e altera la struttura del nucleosoma in vitro; al contrario, i nucleosomi formano rapidamente DNA superavvolto negativo. Si ritiene quindi che in ogni caso di trascrizione, il Superavvolgimento positivo venga spinto dopo la RNA polimerasi. Lo stress torsionale positivo accumulato innesca cambiamenti nei nucleosomi e crea condizioni in cui la polimerasi trascrive abilmente attraverso l'intero array nucleosomiale.

Q2 Il superavvolgimento è buono o cattivo?

Risposta: Il Superavvolgimento del DNA è importante poiché il DNA è una molecola molto lunga, e deve inserirsi in una cellula con un raggio dell'ordine dei micrometri. Richiede loop ripetuti all'interno di loop di avvolgimento per adattarsi, questo tipo di avvolgimento è noto come Supercoiling. Regola anche il processo di trascrizione e replicazione. 

Q3 Come aumenta il Superavvolgimento positivo del DNA?

Risposta: Il superavvolgimento positivo del DNA si verifica quando la doppia elica destrorsa del DNA è piegata molto più stretta (contorta in un disegno a destra) fino a quando l'elica inizia a annodarsi.

Q4 Superavvolgimento negativo nei batteri

Risposta: Il DNA batterico mostra generalmente un Superavvolgimento negativo nelle cellule batteriche poiché contiene una carenza di spire elicoidali. Nella sua struttura B-DNA, i filamenti della doppia elica del DNA compiono un giro completo ogni 10.5 paia di basi. L'aumento del numero di spire rende la doppia elica del DNA più stretta e provoca il contorcersi a causa dell'avvolgimento assiale nella doppia elica del DNA. L'eliminazione delle spire attraverso il sottoavvolgimento del duplex ha l'effetto opposto, facendo contorcere il duplex in modo negativo.

Q5 Perché il Superavvolgimento negativo è importante?

Risposta: Il superavvolgimento negativo ha una funzione naturale significativa di segregazione del filamento del DNA durante la replicazione e la trascrizione. La separazione dei filamenti riduce lo stress torsionale nel DNA superavvolto negativo. In questo modo, è energeticamente meno costoso separare i filamenti nel DNA superavvolto negativo rispetto al DNA rilassato, e la differenza di energia è fornita dal rilassamento del DNA.

D6 Perché il DNA superavvolto positivamente rende il DNA più stabile alle alte temperature?

Risposta: Il superavvolgimento del DNA positivo aumenta il numero di collegamenti tra due filamenti di DNA. Una conformazione che conferisce resistenza alla denaturazione indotta dal calore alla doppia elica del DNA lo rende stabile in condizioni ipertermofile. i plasmidi isolati dal batterio che vive in condizioni ipertermofile hanno mostrato un numero di legame più alto rispetto ai plasmidi isolati dal batterio che non vive in queste condizioni.

Q7 Perché il DNA plasmidico superavvolto migra attraverso l'agarosio con la minor resistenza rispetto all'altra forma ex lineare?

Risposta: A causa della sua natura superavvolta, i frammenti di DNA diventano più piccoli di dimensioni e quindi subiscono meno ostruzione per attrito dal gel: questo si traduce nel movimento di questa forma di DNA più veloce rispetto ad altre forme.

D8 Qual è la differenza tra il superavvolgimento del DNA vincolato e non vincolato?

Risposta: La parola "non vincolato" viene utilizzata per rappresentare il Superavvolgimento nel DNA "libero" a causa della tensione topologica. Non è supportato o dipende dalle proteine, per quello che vale negli eucarioti, dove circa 147 coppie di basi di DNA sono arricciate attorno al nucleosoma, che è essenzialmente un ottamero istonico composto da 2 unità di istoni H2A, H2B, H3 e H4. Questo tipo di Superavvolgimento è classificato come "vincolato" perché la struttura del nucleosoma lo vincola.

Q9 Quale enzima aiuta a tagliare un filamento di DNA duplex per rilasciare l'avvolgimento di due filamenti?

Risposta: La topoisomerasi fa tagliare il filo e rilascia l'avvolgimento. La topoisomerasi di tipo I rompe un filamento dal DNA a doppia elica. Passa il filamento ininterrotto di DNA attraverso lo spazio vuoto e lega l'estremità rotta; la topoisomerasi di tipo I determina un cambiamento in Lk con l'incremento di 1. Le topoisomerasi di tipo II rompono entrambi i filamenti della doppia elica del DNA a doppia elica e cambiano Lk con l'incremento di 2.

Q10 I plasmidi batterici sono rotondi o sono superavvolti?

Risposta: In molte specie, il DNA batterico è circolare e superavvolto negativamente. Un plasmide purificato da Escherichia coli nella fase di crescita media (esponenziale) è superavvolto al grado di = -0.06. All'interno della cella, il Superavvolgimento non vincolato è circa la metà di questo valore.

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