Биологический каталог




Самая главная молекула

Автор М.Д.Франк-Каменецкий

начит, молекулы ДНК, находящиеся в этих полосах, могут отличаться друг от друга только значением Lk. Скорее всего, соседние полосы отличаются по значению Lk на единицу. Впоследствии было доказано, что так оно и есть.

Результат разделения молекул зкДНК, отличающихся по величине сверхспирализации, показан на рис. 25. Справа дан снимок геля после окончания электрофореза. Чтобы ДНК была видна, гель прокрашивают флуоресцирующим красителем, который прочно связывается с ДНК и как бы метит ее. Слева показан график зависимости интенсивности флуоресценции красителя от координаты вдоль геля. Можно видеть, насколько четкого разделения удается достичь: По таким картинкам нетрудно подсчитать величину сверхспира-лизации, отвечающую каждой полоске.

Рис. 25. Разделение молекул ДНК» отличающихся числом сверхвитков, методом гель-электрофореза. Опыт проводился с ДНК маленькой плазмиды рАОЗ, содержащей 1683 пары нуклеотидов. Первоначально молекулы были нанесены сверху, вблизи отрицательной обкладки (это

место не показано на рисунке).

В изучении кольцевых ДНК и сверхспирализации метод гель-электрофореза дал столь же много, как и в определении ДНКовых последовательностей. Было сделано множество тонких измерений, позволивших определить важнейшие характеристики зкДНК. Именно с помощью гель-электрофореза была точно определена энергия, которая может быть запасена в ДНК с помощью сверхспирализации.

Какие изменения в структуре ДНК может вызывать сверхспирализация? Понятно, что выгодным будет любое изменение структуры, в результате которого произойдет ослабление напряжения, вызванного в зкДНК сверхспира-лизацией. Поэтому было ясно, что сверхспирализация должна способствовать образованию в двойной спирали раскрытых областей, а также крестообразных структур. Крестообразные структуры в ДНК могут возникать в участках с последовательностями-перевертышами.

Что такое перевертыши? Они существуют в любом языке, не только в ДНКовом. Вот пример на русском языке: ИСКАТЬТАКСИ. Читайте эту фразу слева направо или справа налево — будет одно и то же (промежутки между словами и знаки препинания при составлении перевертышей не принимаются во внимание), А вот перевертыш подлиннее: НАЖАЛКАБАННАБАКЛАЖАН.

Одно время, когда поступили первые сообщения о существовании и возможной важной роли перевертышей в ДНКовых текстах (это было после открытия рестриктаз), началось повальное увлечение сочинением перевертышей на русском языке среди специалистов по ДНК. Мне очень нравится перевертыш, придуманный в то время Валерием Ивановичем Ивановым, нашим известным специалистом по физике ДНК: РИСЛИНГСГНИЛСИР. Я представляю себе при этом короля и его дворецкого, торжественно провозглашающего: «Рислинг сгнил, сир!».

В ДНКовых текстах часто встречаются перевертыши. Практически всегда бывают перевертышами те участки, которые узнаются рестриктазами. Вот примеры (слева дано название рестриктаз; эти названия весьма причудливы, так как включают в себя первые три буквы названия бактерии, из которой выделена рестрнктаза; стрелками показаны места разрезания ДНК рестриктазой):

Ею R1

.MI

ГААТТЦ —*ЦТТААГ

цццггг ~-~— гггшц

ЦТГЦАГ •* - - r^Aiirm ?

Из-за того что ДНК состоит из двух нитей, ДНКовые перевертыши следует читать слева направо и справа налево по разным нитям (направление чтения задается химической структурой; еще раз напомним, что две ннти ДНК имеют противоположное направление).

Так вот, замечательное свойство ДНКовых перевертышей состоит в том, что они могут образовывать крестообразные структуры. В самом деле, ведь обязательно левая половина перевертыша будет комплементарна правой, то есть можно сделать так:

А

А

Ц

Г

г

т т

А А

для места узнавания рестриктазой EcoRI и аналогично для любого другого перевертыша. Во всяком случае, это не противоречит правилу комплементарности.

Однако сразу возникают вопросы. Разрешает ли структура ДНК существование таких резких изломов, какие должны возникнуть в двух вершинах креста? Ведь нить ДНК обладает определенной жесткостью, не так просто сделать в ней резкий излом. В главе 3 мы уже обсуждали эту проблему в связи с укладкой ДНК в хромосомах. Двойная спираль — весьма жесткая штука, и для её изгибания в хромосомах существуют специальные белки (гистоны и другие). Правда, одиночная нить гораздо менее жесткая, так чго вообще изломы в одиночной цепи возможны. Но они требуют затрат энергии. Поэтому совершенно не ясно, зачем в ДНК будет возникать крест, если он может превратиться в регулярную двойную спираль. Но все это так в случае линейных молекул. А в сверхспирализованных?

Образование креста приводит к снятию напряжения. Не может ли это сделать выгодным образование креста в сверхспиральной ДНК? Какая сверхспирализация для этого необходима?

Чтобы ответить на все эти вопросы, группа теоретиков Института молекулярной генетики АН СССР, В. В. Анше-левич, А. В. Вологодский, А. В. Лукашнн и автор этих строк, подробно проанализировала вопрос об образовании

L--J= <Ч Ь-> t~ ?>

•»цааац=г""ааааат-J111J 1J.111V-ЈV>

RF.—\ <-H <-H

I—>

Рис. 26. Такой крест образуется в ДНК ColEl, когда оиа находится в сверхспиральном состоянии.

раскрытых и крестообразных структур в линейных и сверх-спирализованных ДНК. Теоретический анализ показал, что вероятность образования и раскрытых пар, и крестов в линейной ДНК очень мала. Особенно ничтожна вероятность возникновения креста — она порядка 10 15, т. е. практически равна нулю. С ростом сверхспирализации картина очень сильно меняется. Быстро увеличивается вероятность образования раскрытых пар. Но вероятность образования крестов в коротких перевертышах вроде тех, которые узнаются рестриктазами, остается пренебрежимо малой при любых значениях сверхспирализации.

Другое дело — более длинные перевертыши, содержащие 15—20 или более пар. Такие перевертыши редко, но встречаются в расшифрованных последовательностях ДНК. Вот, например, перевертыш из плазмиды Col El, он показан на рис. 26. Для таких длинных перевертышей вероятность образования крестов растет, согласно расчетам, фантастически резко с ростом сверхспирализации. При нормальных значениях сверхспирализации, типичных для многих ДНК, вероятность образования креста оказывается порядка единицы, т. е. становится в 1015 (миллион миллиардов!) раз больше, чем в линейной молекуле. После того как наши теоретические предсказания были опубликованы, многие экспериментаторы принялись искать крестообразные структуры в зкДНК. Первыми финишировали две команды — английская и американская. Им удалось доказать, что длинные перевертыши в сверхспиральных ДНК действительно образуют кресты.

Как же удалось это сделать? Ведь сами шпильки, возникающие в крестообразных структурах, слишком малы, чтобы их можно было разглядеть даже в электронный микроскоп. Поэтому для поиска крестов был применен такой прием. СЕерхспирализованную ДНК обрабатывали ферментом — однонитевой эндонуклеазой. Этот фермент рвет только одиночную нить ДНК, но не трогает двойную спираль. Поэтому обычную линейную, или кольцевую замкнутую, но не сверхспирализованную молекулу фермент не разрывает. Оказалось, однако, что сверхспирализованную ДНК он разрывает, причем в строго определенном месте. Определили последовательности нуклеотидов слева и справа от места разрыва. Оказалось, что во всех случаях разрезание шло строго в середине больших перевертышей, именно тех, в которых, согласно теоретическим расчетам, должны образовываться кресты. Такие опыты могут иметь только одно объяснение: в сверхспирализован-ных ДНК в местах длинных перевертышей двойная спираль с большой вероятностью превращается в крестообразную структуру; однонитевая эндонуклеаза разрывает образующиеся при этом в вершинах креста однонитевые петли.

Какова роль крестов в ДНК? Пока об этом ничего не известно. Думают, что крестообразные структуры могут служить местами посадки на ДНК каких-то белков. Во всяком случае кресты — это первый надежно доказанный пример того, что структура отдельных участков биологически активной ДНК может существенно нарушаться при условиях, близких к тем, в которых ДНК функционирует в живой клетке. Насколько важную роль играют эти и, возможно, другие нарушения в работе ДНК в клетке — это вопрос дальнейших исследований.

ГЛАВА 9

УЗЛЫ ИЗ ДНК Об узлах

Не правда ли, самый простой узел?

Каждый знает, что такое узел. Мы каждый день завязываем множество узлов. Обычно мы делаем это так:

г

Немного подумав, благоразумный читатель ответит: «Просто закрученное в жгут кольцо. К узлам эта штука отношения не имеет. Зря это здесь нарисовано». Нет, я не зря изобразил жгут — он, как и само кольцо, из которого жгут образован:

имеет не меньше, а, пожалуй, даже больше прав именоваться узлом, чем фигура L Математик назовет третью или вторую фигуры тривиальным узлом. А первую вообще откажется считать узлом.

«Ох, уж эти математики!—думаете, наверное, вы.— Вечно они все запутывают». Пожалуй, я бы согласился с вами. Я не математик и часто сам думаю точно так же. Но в данном случае я решительно с вами не согласен.

Можно, конечно, называть первую фигуру узлом, но попробуйте четко объяснить, чем она отличается от такой:

Ведь узел на первом рисунке всегда можно распутать, и цепь вернется в исходное состояние. Этого нельзя сделать только в одном случае — если концы цепи бесконечно длинные. Поэтому лучше вообще избавиться от концов:

Попробуйте-ка теперь распутать! Каждому ясно, чем четвертая фигура отличается от третьей: их никаким образом нельзя перевести одну в другую, не порвав цепь.

Узел 4 называют трилистником или клеверным листом, так как его можно переделать вот так;

Думаю, теперь вы согласитесь, что понятие узла имеет строгий смысл только для замкнутых цепей, хотя в домашнем обиходе вы можете продолжать называть узлами фигуры типа первой, если вам это очень нравится.

Итак, мы уже знаем два узла — тривиальный (среди узлов он занимает то же положение, что и нуль среди чисел) и трилистник (4 или 5). Следующий после трилистника по сложности узел называется восьмеркой. Он выгляд

страница 20
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

Скачать книгу "Самая главная молекула" (2.26Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(23.08.2019)