Informacije

DNK povezujući broj, uvijanje i grčenje

DNK povezujući broj, uvijanje i grčenje


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Slika ispod je preuzeta iz udžbenika molekularne biologije.

Nije mi jasno da se ono što se dešava na dva uvijena prelaza poklapa sa navedenim brojevima.

Postoji li problem s ovim primjerom? A ako nije, može li netko objasniti (bez upotrebe Calugareanuove teoreme, tj. $ Text {Lk} = text {Tw}+ text {Wr} $) zašto je povezujući broj 23 $? Kad dam dvije niti orijentacije i pola zbira znakova prelaska, ne dobivam 23 USD.


Broj za povezivanje

U matematici, povezujući broj je numerička invarijanta koja opisuje povezivanje dvije zatvorene krive u trodimenzionalnom prostoru. Intuitivno, broj povezivanja predstavlja broj puta da se svaka kriva vijuga oko druge. Povezujući broj je uvijek cijeli broj, ali može biti pozitivan ili negativan ovisno o orijentaciji dviju krivulja. (To ne vrijedi za krivulje u većini trostrukih mnogostrukosti, gdje povezujući brojevi mogu biti i razlomci ili jednostavno uopće ne postoje.)

Gauss je uveo broj za povezivanje u obliku povezujući integral. Važan je predmet proučavanja u teoriji čvorova, algebarskoj topologiji i diferencijalnoj geometriji, i ima brojne primjene u matematici i nauci, uključujući kvantnu mehaniku, elektromagnetizam i proučavanje supersmotanja DNK.


Proračun uvijanja i uvijanja za reprezentativne modele DNK ☆

Geometrijske veličine se uvijaju (Tw) i grči se (Wr) su od primarnog značaja za potpuni opis strukture DNK. U slučaju zatvorene kružne DNK, zbroj Tw i Wr je konstantan i jednak veznom broju, Lk. U ovom radu predstavljamo opću metodu za izračunavanje uvijanja u smislu para krivulja i odgovarajuće površine koja ih spaja. Zaokret bilo kojeg para krivulja (C1 i C2) mogu poprimiti različite vrijednosti ovisno o njihovom naručivanju i općenito Tw (C1, C2) nije jednako sa Tw (C2, C1). Opisujemo četiri modela koja se mogu uzeti da predstavljaju strukturu DNK i izračunavamo izvrtanje za oba reda u svakom slučaju. Četiri ispitana modela su: I, pravilna spirala oko linearne osi II, toroidna spirala oko zatvorene kružne osi III, superheliks oko pravilne spiralne osi i IV, superheliks oko zatvorene toroidalne spirale. U slučajevima II i IV ovi se rezultati također koriste za izračunavanje Lk i Wr. Slučaj III koristi se za analizu namotavanja DNK u nukleozomu.


Paradoks povezivanja brojeva nukleosoma

Paradoks izaziva struktura nukleozoma. Kao što je spomenuto, DNK u eukariotskim ćelijama je omotana oko nukleozoma. DNK u B konformaciji omotava se oko 1,8 puta oko jezgre koja se sastoji od parova četiri histona, H2A, H2B, H3 i H4. U


prisutnost histona H1, omotač se proširuje na otprilike dva potpuna okreta. Ovaj histon služi i za završetak omotača, kao i za povezivanje od jednog nukleosoma do drugog. Površno gledano,

Čini se da omotana struktura nukleosoma posjeduje dva super spiralna zavoja, a ipak kada se protein ukloni, otkriveno je da DNK posjeduje samo jedan superhelikalan zavoj za svaki nukleosom koji je sadržavao.

Jedno objašnjenje paradoksa moglo bi biti da put DNK između nukleosoma negira dio nabora koji nastaje omotavanjem. Budući da elektronska mikroskopija sugerira da je veza od jednog nukleosoma do drugog regularna, čini se da lukava topologija povezivanja nukleozoma nije objašnjenje.

Drugo objašnjenje paradoksa je da dok je DNK omotana na nukleosomu, ona je premotana. Nakon uklanjanja nukleosoma, namotavanje DNK se vraća u normalu, smanjujući uvijanje DNK, tako da se uvijanje ili negativna supersmotanost smanjuje u veličini od prosječno dva po nukleosomu na prosječno jedan negativan superhelikalni okret po nukleosomu. Povezujući broj, uvijanje i naginjanje mogli bi biti sljedeći dok je DNK omotana na jedan nukleosom, Lk = 20, Tw = 22, Wr = -2, a nakon uklanjanja iz nukleosoma, ista DNK bi mogla imati sljedeće vrijednosti, Lk = 20, Tw = 21, Wr = -1. Dokazi, zapravo, sugeriraju da je ovo dio objašnjenja.

Analiza sekvenci DNK pronađenih na nukleosomima pokazuje da zavoji uvedeni nizovima A, kao što je ranije opisano, imaju tendenciju da leže s manjim žljebovima takvih nizova u kontaktu s nukleozomima. Stoga se čini da se nukleosomi vežu za DNK na dijelove koji su već djelomično savijeni. Analiza lokacija ovih nizova A pokazuje da su one u prosjeku razmaknute 10,17 parova baza, a ne 10,5 parova baza. Ovo onda delimično, ali ne u potpunosti, objašnjava paradoks broja povezivanja. Kada se ova premoštena DNK vrati u svoj prirodni zaokret od 10,5 parova baza po okretu, dio supermotacije se eliminira. Iako se time smanjuje neslaganje supersmotanja, postavlja se novo pitanje o uzroku premotavanja DNK.


Abstract

Studija krio-elektronske mikroskopije super namotanih molekula DNK slobodno suspendiranih u krio-vitrificiranom puferu kombinirana je sa Monte Carlo simulacijama i gel elektroforetskom analizom kako bi se istražila uloga intersegmentalnog elektrostatičkog odbijanja u određivanju oblika super namotanih molekula DNA. Ovdje je pokazano da smanjenje odbijanja DNK-DNK povećanjem koncentracija protujona dovodi do toga da se veći dio deficita povezujućeg broja podijeli u grčenje. Kada kontrajoni dostignu koncentracije koje će vjerovatno biti prisutne ispod in vivo prirodnim uslovima, super namotani plazmidi prihvaćaju čvrsto isprepletenu konformaciju. U ovim čvrsto namotanim molekulama DNK čini se da se suprotni segmenti međusobno povezane superheliksa direktno dodiruju. Ovaj oblik super namotavanja, gdje dvije spirale DNK međusobno djeluju, može predstavljati važno funkcionalno stanje DNK.

U posebnom slučaju super namotanih mini krugova (178 bp) ΔLk = -2 topoizomera prolazi kroz oštar strukturni prijelaz iz gotovo ravnih krugova u puferima s malo soli u snažno iskrivljene "osmice" konformacije u puferima koji sadrže neutralizirajuće koncentracije protujona. Raspravljaju se o mogućim implikacijama ovog promatranog strukturnog prijelaza u DNK.


Broj koji povezuje DNK, uvrtanje i zavijanje - Biologija

BCH5425 Molekularna biologija i biotehnologija
U proljeće 1998
dr Michael Blaber
[email protected]

DNK supermotaj, nastavak, topoizomeraze

Mali kružno zatvoreni genom

Genom Simian virusa 40 (SV40) je kružni, zatvoreni, dvolančani DNK genom. Za potrebe ove rasprave, ima 5300 baza. Očekujemo da će u fiziološkim uvjetima DNK pokazivati ​​10,6 parova baza po okretu (tj. Jedan Twist = 10,6 bp/okret). U ovom slučaju, bez pisanja, broj povezivanja bi bio:

Broj povezivanja = 5300 bp/(10,6 bp/okret) + 0

Vezni broj = 500 zavoja

tj. očekivali bismo 500 360° zavoja DNK lanaca po dužini kružnog genoma.

  • Ovaj oblik (sa 10,6 parova baza po okretu) bez Writhea predstavlja "standardnu", ili neiskrivljenu, spiralu DNK.
  • Ovo je također poznato kao "opušteni" oblik DNK, a dupleks bi se fizički mogao postaviti ravno na površinu jer mu nije potreban Writhe da bi se postigla željena vrijednost od 10,6 baznih parova po uvijanju:

Međutim, kada je replikacija SV40 inicijalno završena, primijećeno je da u DNK ostaje otvorena dupleksna regija:

Rezultat je da postoji oko 475 zavoja spirale unutar dupleksne DNK (tj. Vezni broj = 475).

  • Za DNK se kaže da je premotan.
  • Otvoreno područje je energetski nepovoljno.
  • Kovalentno zatvoren molekul ne može se prilagoditi za ovo povećanjem broja povezivanja. To jest, ne može spontano prekinuti jedan ili oba lanca dupleksa, uvesti još 25 okreta u dupleks (povećati broj povezivanja za 25) i ponovo podvezati dupleks.

DNK ima tri izbora:

  1. Može podesiti broj baznih parova po okretu u cijelom molekulu od željenih 10,6 bp/okret do 11,2 bp/okret (tj. 5300 bp/475 okreta). (NAPOMENA: povećanje broja parova baza po okretu će smanjiti vrijednost uvijanja podmotana DNK ima veći broj parova baza po okretu).
  2. DNK se može namotati u topologiju "super zavojnice" i održavati željenu vrijednost uvijanja (10.6) s zadanim veznim brojem (475 u ovom slučaju).
  3. Dupleks može postojati s okretanjem od 10,6 bp/okretu za veći dio strukture, a zatim imati područje s nultim uvijanjem (ne nužno istopljeni dupleks). To je prilično nepovoljno zbog geometrije potrebne za kutove spoja.

Dakle, za 5300 bp SV40 genoma, sa brojem povezivanja od 475, da bi se održala vrijednost od 10,6 bp/twist, potrebno je ukupno 25 negativnih superzavojnica (Writhe= 25):

  • Odnosno, 25 negativnih super zavojnica (dvadeset pet 180º okreta DNK dupleksa, desna ruka dok gledate prema dolje supermotaj).

Enzimi koji kontroliraju topologiju DNK kritični su za replikaciju i transkripciju DNK.

  • Kako se vilica za replikaciju otvara, područje dupleksa ispred vilice postaje premotano - odnosno ima manje osnovnih parova po zavoju.
  • Broj povezivanja se nije promijenio, ali je dužina DNK koja sadrži sve zavoje efektivno kraća.
  • Za održavanje 10,6 bp/okret u tom području, DNK će usvojiti pozitivne super zavojnice.

Na primjer, tokom ranih faza SV40 replikacije, dupleks oko početka replikacije može u početku otopiti (otvoriti) regiju od 750 baza. Budući da je broj veze (500) nepromijenjen, efektivno se distribuira samo na:

Pod pretpostavkom da nije uvedeno supernamotavanje:

500 = 4550 osnovnih parova / (X osnovnih parova / okretanje) + 0

Stoga, ako se ne uvede supermotacija, DNK mora usvojiti konformaciju od 9,01 baza parova/uvijanje spirale unutar regije ispred replikacijske vilice.

  • Ovo je energetski nepovoljno, a jedna od opcija za DNK je da usvoji supernamotanu konfiguraciju za postizanje 10,6 bp/okret:
  • Dakle, kretanje rastuće vilice uzrokuje da DNK usvoji pozitivne superzavojnice.
  • U ovom slučaju DNK je usvojila 70,8 lijevih superzavojnica (po 180°).
  • Twist (=osnovni par * [twist/basepair]) i Writhe su oba realni brojevi.
  • Topoizomeraze tipa I presijecaju jedan lanac DNK (tj. "Probijaju" dupleks DNK).
  • 5' fosfat izrezane niti je kovalentno vezan za tirozin u proteinu.
  • 3 'kraj nadimka tada prolazi jednom kroz dupleks.
  • Nadimak se zatim ponovno zatvara, a broj veze se mijenja za vrijednost +1.
  • To stoga može dovesti do uklanjanja jedne negativne super zavojnice.

U E. coli, topoizomeraza tipa I može osloboditi samo negativno superkokuliranu DNK (negativno superkolutanje je krajnji rezultat novo repliciranog genoma DNA). Kod eukariota, topoizomeraza tipa I takođe može osloboditi pozitivno namotanu DNK.


Unutarstanični nukleosomi ograničavaju DNK povezujuću razliku u broju od -1,26 koja pomiruje Lk paradoks

Međudjelovanje između strukture kromatina i topologije DNK temeljni je, ali nedostižan, regulator aktivnosti genoma. Paradigmatski slučaj je "paradoks povezujućeg broja" nukleosomske DNK, koji se odnosi na neusklađenost između dva lijeva superhelikalna zavoja DNK oko histonskog oktamera i razlike u broju DNK povezivanja (∆Lk) stabilizirana pojedinačnim nukleosomima, koji eksperimentalno je procijenjeno na oko -1,0. Ovdje analiziramo DNK topologiju biblioteke mononukleosoma umetnutih u male kružne minihromosome kako bismo odredili prosječni ∆Lk ograničen pojedinačnim nukleosomima in vivo. Naši rezultati pokazuju da većina nukleozoma stabilizuje oko -1,26 jedinica ∆Lk. Ova vrijednost uravnotežuje uvijanje (∆Tw ≈ + 0,2) i iskrivljeno (∆Wr ≈ -1,5) deformacije nukleosomske DNK u smislu jednadžbe ∆Lk = ∆Tw + ∆Wr. Naš nalaz pomiruje postojeći nesklad između teoretskog i posmatranog mjerenja ΔLk ograničenog nukleosomima.

Izjava o sukobu interesa

Autori izjavljuju da nema suprotstavljenih interesa.

Figure

Struktura i broj koji povezuje DNK ...

Struktura i DNK razlika u broju brojeva u minikromosomu kvasca YCp1.3. a Šema…

Konstrukcija i struktura minihromosoma ...

Konstrukcija i struktura minihromosoma koji sadrže mononukleosomalnu biblioteku. a Okvir…

Lk dobit koju proizvodi biblioteka mononukleozoma. a DNK topologija pet ...


Povezujući broj

Broj puta kada se dvije niti zatvorene kružne, dvostruko spiralne molekule ukrštaju. Broj uvijanja (T) opuštene zatvorene kružne DNK je ukupan broj parova baza u molekuli podijeljen s brojem parova baza po zavoju spirale. Za relaksiranu DNK u normalnom B obliku, L je broj parova baza u molekulu podijeljen sa 10. Broj uvijanja (W) je broj puta kada se osa molekula DNK prekrsti supersmotanjem. Broj povezivanja (L) određen je formulom: L = W + T. Za relaksirani molekul, W = 0, i L = T. Broj povezivanja zatvorenog molekula DNK ne može se promijeniti osim lomljenjem i ponovnim spajanjem lanaca . Korisnost broja povezivanja je u tome što je povezan sa stvarnim enzimskim lomljenjem i događajima ponovnog spajanja pomoću kojih se vrše promjene u topologiji DNK. Sve promjene u povezujućem broju moraju biti cijelim brojevima. Molekuli DNK koji su identični osim po broju povezivanja nazivaju se topološki izomeri.


MATERIJALI I METODE

Proračuni su izvedeni na 404 jezgri superkompjuterskog klastera Opteron Myrinet u Leedsu i UK Grid Service (NGS). Sve simulacije MD -a koristile su paket programa AMBER 8 (19), a program CURVES 5.1 za analizu spiralnih parametara DNK (20). Inicijalne koordinate za linearne strukture DNK generirane su korištenjem NUCGEN modula u AMBER 8. Kružne DNK konfiguracije sa spiralnim vrijednostima uvijanja koje odgovaraju pod-/premotavanju od -2 do +3 spiralnih zavoja su proizvedene iz linearne strukture koristeći kod razvijen u kući (vidi Dopunski podaci). Sistem je termalizovan i ekvilibrisan korišćenjem standardnog višestepenog protokola (21) kao što je opisano u tabelama 1S i 2S u Dodatnim podacima. DNK je opisana pomoću polja sile AMBER-99 (22). Odabir ovih simulacija ponovljen je za upoređivanje polja sila PARMBSC0 (23), rezultati korištenja dva polja sila su u dobrom skladu (kako je opisano u Dodatnim podacima na slici 1S). SHAKE algoritam je korišten za ograničavanje veza za vodonik, omogućavajući vremenski korak integracije od 2fs tokom MD pokretanja. Sve simulacije su izvedene pri konstantnoj temperaturi (300 K) i pritisku (1 atm). U eksplicitno solvatiranim serijama, DNK je bila okružena s dovoljno K + protivjona za neutraliziranje sistema i periodičnom kutijom molekula otapala TIP3P koja se protezala 15 Å izvan granica otopljene tvari u svakoj dimenziji. Za izračunavanje elektrostatičkih interakcija velikog dometa korištena je Ewaldova metoda brzih čestica (implementirana u okviru PMEMD modula AMBER 8). U implicitno solvatiranim simulacijama, korištena je generalizirana metoda Born/površine (GB/SA) koristeći Tsui i Case parametre (24) sa graničnom vrijednošću od 50 Å. GB/SA model nudi jednostavnu i praktičnu metodu za istraživanje većih nanokrugova DNK kao funkcije koncentracije soli. Kako aproksimacije u modelu postaju nepouzdane pri vrlo visokim količinama soli, koncentracije korištene u studiji daju samo polu-kvantitativnu procjenu elektrostatičkog skrininga i treba ih tumačiti s određenim oprezom. Iako je prijavljeno nekoliko MD studija DNK u uslovima visoke soli koristeći eksplicitne metode rastvarača, one često pate od loše ravnoteže i, po našem mišljenju, potreban je dalji metodološki razvoj pre nego što se ove naizgled preciznije simulacije mogu smatrati pouzdanim. Stoga smatramo da je GB/SA metodologija razuman kompromis između tačnosti i računskih troškova, uprkos upozorenjima povezanim sa uslovima visokog sadržaja soli. Kvantitativno poređenje između eksplicitnih i implicitnih modela otapala (udaljenosti vodikovih veza i srednje kvadratne fluktuacije iz jednolike kružne početne strukture) dato je kao dodatni podaci (slike 3S i 5S).


O- Koji su topološki parametri (povezujući broj, uvijanje i naginjanje) za opušteni, kružni dvolančani DNK plazmid od 4.200 baznih parova? LK =? Tw =? Wr=? Protein CRISPR-Cas9 prvo formira kompleks protein-RNA sa RNK vodičem, a zatim se veže za sekvence DNK koje odgovaraju ciljnoj sekvenci od 20 baza unutar vodiča. Kada se kompleks CRISPR-Cas9 veže za DNK, odmotava oko 20 parova baza dvostruke spirale DNK. B- Zašto je potrebno odmotavanje DNK da bi protein-RNA kompleks CRISPR-Cas9 prepoznao ciljna mjesta? C-Kako bi se promijenili topološki parametri (povezujući broj, uvijanje i naginjanje) plazmida od 4.200 bp u (A) kada kompleks CRISPR-Cas9 veže DNK i odmota oko 20 bp? Lk =? Tw=? Wr=?

O- Koji su topološki parametri (broj povezivanja, uvijanje i naginjanje)
za opušteni, kružni dvolančani DNA plazmid od 4.200 baznih parova?

Protein CRISPR-Cas9 prvo formira protein-RNA kompleks sa vodećom RNA, a zatim se veže za DNK sekvence koje odgovaraju ciljnoj sekvenci od 20 baza unutar vodiča. Kada se kompleks CRISPR-Cas9 veže za DNK, odmotava oko 20 parova baza dvostruke spirale DNK.

B- Zašto je potrebno odmotavanje DNK za kompleks CRISPR-Cas9 protein-RNA
prepoznati ciljane web lokacije?

C-Kako bi topološki parametri (broj povezivanja, uvijanje i
writhe) plazmida od 4200 bp u (A) promeni kada kompleks CRISPR-Cas9 veže DNK i odmota oko 20 bp?

D- Koji je povezni broj nakon što kompleks CRISPR-Cas9 rascijepi
DNK?