مقاله آموزشی ساختار سوم DNA

ساختار سوم DNA

ساختار اول DNA شامل ترادف نوکلئوتیدی، ساختار دوم شامل مارپیچ دو رشته ای و ساختار سوم ساختار فراپیچیده یا سوپرکویل است. ساختار سوم در اثر ایجاد فشار، اتصال برخی از پروتئین ها از جمله توپوایزومرها، هیستونها، داروها و شرایط خاص دیگر بوجود می آید.

Topoisomeras:

توپوایزومرها می توانند فرم و شکل هوایی مولکول DNA را تا حدودی عوض کنند.

باز شدن دو رشته مولکول DNA در اثر Supercoil هایی است که می توانند به وجود بیاید و Supercoil منفی از موارد مهمی است که باز شدن دو رشته را تسهیل می کند. به خصوص در یوکاریوت ها زمانی که پروموتر خیلی بزرگ است و برای این که بتواند باز شود لازم است که Supercoil منفی به وجود بیاید. در یوکاریوت ها و پروکاریوت ها وقتی که مولکول DNA به صورت Supercoil است، فشاری که به مولکول DNA می آید می تواند دو رشته را در جای جای مولکول DNAباز کند. مولکول DNA خیلی فشرده است و هم در جهت منفی و هم در جهت مثبت Coil هایی را دارد و برای همین همیشه تحت فشار است و این تحت فشار بودن باعث می شود مولکول DNA در بعضی از قسمت ها باز شود.

DNA Degradation: اگر باز شدن دو رشته مولکول DNA در جاهای زیادی از مولکولDNA اتفاق بیافتد، می تواند باعث تخریب مولکول DNA و شکسته شدن شود.

سلولها از Topoisomeras ها استفاده می کنند تا بتوانند مولکول DNA را به حالت اول برگردانند و مجددا مارپیچ به وجود آید. Topoisomeras I در تک رشته مولکول DNA این کار را می تواند انجام دهدو Topoisomeras II می تواند دو رشته مولکول DNA را هم بشکند و هم دوباره به حالت اول برگرداند. Topoisomeras I تک رشته مولکول DNA را می برد و به هم وصل یا باز می کند.

Topoisomeras I به تک رشته مولکول DNA وصل می شود و این وصل شدن در منطقه حساسی که دارای tyrosine (جایگاه فعال تیروزین) است انجام می شود. نزدیک به این جایگاه فعال یک آمینو اسید بازی هم هست که یک هیدروژن می گیرد و بعد اکسیژن منفی به وجود می آید و این اکسیژن منفی به فسفر حمله می کند و در مرحله بعد OH منفی آزاد با این هیدروژن ترکیب می شود و کربن ’5 دزوکسی ریبوز که وصل به اکسیژن منفی است یک هیدروژن می گیرد و به این ترتیب یک رشته مولکول DNA به دو قسمت تقسیم می شود و دو رشته از هم باز می شوند. این باز شدن شکل فضایی مولکول را نسبت به حالت قبلی تغییر می دهد. در یک طرف یک’3 فسفو تیروزین آنزیم به وجود می آید و در طرف پایین 5’ هیدروکسیل به وجود می آید. در مرحله بعد آنزیم دو رشته ای را که بریده است باز می کند و از رشته ای که بریده نشده است رد می کند و دوباره به هم وصل می کند.

همین فرایند در جهت عکس صورت می گیرد و با تغییر شکل فضایی Topoisomeras از مولکول خارج می شود و در نهایت به مولکول DNA یک پیچ اضافه می شود. به عنوان مثال اگر قبل این کار تعداد پیچ ها دو عدد بود بعد از آن 3 عدد می شود یعنی یک مارپیچ به مجموعه اضافه می شود و یا ممکن است باز شود (توسط آنزیم).

Topoisomeras II با Supercoil منفی باعث تسهیل همانند سازی می شود. Topoisomeras I به علت فشرده شدن مولکول DNA اگر در جایی دو رشته DNA از هم باز شده باشد که امکان تخریب مولکول DNA وجود داشته باشد آنرا به حالت اول بر می گرداند اما هر جایی که لازم باشد تک رشته مولکولDNA  مارپیچش باز شود و یا به حالت اول برگردد این آنزیم عمل می کند.

اگر مولکول DNA داشته باشیم که Linking Number آن 55 باشد، بعد از آن که Topoisomeras I عمل کرد Linking Number آن 56 می شود.

خلاصه :

در مرحله اول چون مولکول DNA به علت Supercoil هایی که در آن است تحت فشار است، بنابراین در جای جای مولکول ممکن است دو رشته مولکول DNA از هم جدا شود و این جدا شدن دو رشته مولکول DNA می تواند امکان تخریب مولکول DNA را فراهم کند. برای جلوگیری از این تخریب ها، سلول معمولاً از آنزیم هایی تحت عنوان Topoisomeras ها استفاده می کند. Topoisomeras I معمولاً تک رشته مولکول DNA را می تواند ببرد و از هیچ مولکول انرژی دهی استفاده نمی کند در صورتی که Topoisomeras II برای این که دو رشته مولکول DNA را ببرد، نیاز به ATP دارد. Topoisomeras I بر روی تک رشته مولکول DNA شکافی را ایجاد می کند و این کار به این ترتیب انجام می گیرد که وقتی مولکول در محلی که دو رشته مولکول DNA از هم جدا شده اند می رسد و به مولکول وصل می شود، در نزدیکی جایگاه اتصال یک تیروزین فعالی وجود دارد. این تیروزین به علت نزدیکی به یک اسید آمینه بازی پروتن از دست می دهد و به این ترتیب در این اسید آمینه یعنی تیروزین، اکسیژن با بار منفی ایجاد می شود. این اکسیژن با بار منفی به گروه فسفات در جایگاه 3’ حمله می کند و تولید ’3 فسفو تیروزین آنزیم می کند و در پایین هم 5’ هیدروکسیل پلی نوکلئوتید به وجود می آید و یک اکسیژن با بار منفی به وجود می آید که احتمالاً هیدروژنی را از اسید آمینه اسیدی که در جوار آن قرار گرفته است دریافت می کند و این اسید آمینه در خود Topoisomeras است. ( در قسمت بالا یک اسید آمینه بازی دارد و در قسمت پایین یک اسید آمینه اسیدی را دارد که یکی هیدروژن می دهد و دیگری هیدروژن می گیرد). بعد از این برش، آنزیم تغییر شکل فضایی یافته و دو انتهای بازو ها را که گرفته بود از هم دور می کند یعنی باز می کند تا بتواند از دو رشته عبور دهد. این گپ که ایجاد می شود به وسیله خود آنزیم پوشش داده می شود و فاصله ایجاد شده آزاد نمی شود و آنزیم مثل پلی بین دو طرف عمل می کند چون اگر آزاد بود DNA تخریب می شد ولی آنزیم پوشش می دهد تا این کار انجام نشود. رشته ای که بریده نشده از روی این گپ عبور داده می شود و بعد از آن این گپ بسته می شود. Topoisomeras در اینجا اول کار برش انجام می دهد سپس به هم می دوزد. در آخر هم همین کار در جهت عکس انجام می شود یعنی اسید آمینه اسیدی هیدروژن را برمیدارد و اکسیژن به فسفر وصل می شود و تیروزین هم دوباره هیدروژن خود را از اسید آمینه بازی می گیرد و به این ترتیب عمل در جهت عکس انجام می شود و آن رشته به هم دوخته می شود و به این ترتیب یک مارپیچ به مولکول DNA اضافه می شود.

Gyrase معروفترین Topoisomeras II است و کار آن این است که در جایی که همانند سازی شروع می شود و مولکول DNA در بالادست چنگال همانندسازی فشرده می شود، Gyrase مولکول DNA را می برد و فشردگی را باز می کند و دوباره می بندد تاهمانند سازی بتواند ادامه پیدا کند. Gyraseدو ژن (((دو زیر واحد) دارد: Gyr A و  .Gyr B

اگر هر یک از این زیرواحد ها را مهار کنیم در واقع همانند سازی باکتری ها و یا ایکولای را مهار کرده ایم. اسید آمینه ای وجود دارد کهGyr A  را مهار می کند و آنتی بیوتیکی هست که Gyr B را مهار می کند. هر یک از این ها مهار شود همانند سازی انجام نمی گیرد. پس یکی از اثرات آنتی بیوتیک ها این است که همانند سازی را مهار می کنند و مهار کردن همانند سازی نیز از طریق مهار کردن Gyrase است. Gyrase ایجاد Supercoil منفی می کند و مولکول DNA را باز و بسته می کند. پس مهار کردن Gyrase  باز کردن و بستن مولکول DNA و ایجاد Supercoil منفی را مهار می کند. بنابراین یکی از مکانیزم های مهار باکتری ها می تواند کنترل یا مهار Topoisomeras II باشد که نهایتاً مانع می شود که همانند سازی انجام گیرد.

پروتئینی داریم می خواهیم بدانیم که Topoisomeras است یا نه؟

اگر مولکول DNA آزادو Relax  داشته باشیم در الکتروفورز حرکت کندی دارد چون باز است ولی اگر متراکم باشد حرکتش سریع تر است. در نتیجه اگر مولکول Relax را در مجاورت چنین آنزیم یا پروتئینی قرار دهیم اگر روال حرکتی اش سریع شود مفهوم آن این است که کار Topoisomerasی انجام می دهد و به این ترتیب می توانیم بفهمیم پروتئینی که در اختیارمان است Topoisomeras است یا خیر.

تصویر انواع توپوایزومرازها:

Covalently Closed Circular DNA (CCC DNA):

مولکول DNA باکتری ایکولای یا پلاسمید که به صورت بسته است CCC DNA است یعنی به صورت کوالانسی پیوند های آن بسته شده و یک مولکول کاملاً حلقوی است.

در چنین مولکولی که کاملاً بسته است به چه نحو مارپیچ های اضافی به وجود می آیند و اضافه شدن مارپیچ های اضافی به چه نحوی می تواند مارپیچ اولیه را تحت تاثیر قرار دهد؟ چنین چیزی در یک مولکول DNA خطی در یوکاریوت ها چه زمانی می تواند اتفاق بیافتد؟ مولکول DNA یوکاریوت ها یک مولکول خطی است و به نظر می آید که مارپیچ آن خیلی آسان باز می شود ولی باز نمی شود و مثل یک مولکول بسته محدود شده است. حال چرا این مولکول محدود شده است؟ و چرا نمی تواند به صورت کاملاً آزاد باز شود؟

مولکول DNA یوکاریوت ها از دو انتها به وسیله تلومر ها بسته شده است و محدودیتی برای آن هست و نمی تواند به صورت آزاد باز شود. در نتیجه مولکول DNA در باکتری ها و پلاسمید محدود شده و نمی تواند باز شود مگر این که دو رشته بریده شود. مولکول DNA خطی یوکاریوت ها هم چنین وضعیتی دارند چون در دو انتها و جایهای زیادی از آن به وسیله پروتئین ها گرفته شده است در نتیجه آزاد نیست که هر طور خواست باز شود. زمانی باز شدن امکان پذیر است که جایی برش داده شود که این کار توسط توپوایزومراز ها انجام می شود.

همانطور که در شکل مشخص است در مولکول DNA باکتری ها یا پلاسمید، هرچه قدر شکل مولکول عوض شود تعداد LK عوض نمی شود. اما در مولکول DNA خطی آزاد یا Relax چون به جایی وصل نیست خود به خود باز می شود و تعداد LK عوض می شود (در حالت محدود شده چنین اتفاقی نمی افتد و LK ثابت می ماند).

در زیر مولکول DNA خطی را می بینیم که به وسیله پروتئین هایی احاطه شده است. چون به وسیله پروتئین ها محدود شده است، تغییر شکل فضایی باعث تغییر در تعداد LK ها نمی شود وDNAخطی مثل مولکول DNA بسته عمل می کند و محدود می شود.

اگر مداد جادویی بتواند این دو رشته را باز کند این دو از هم جدا می شوند(در عمل چنین اتفاقی نمی افتد).

توپولوژی مولکول DNA:

مکان شناسی یا توپولوژی DNA با استفاده از سه ویژگی Linking Number ،Twist و Write بیان می شود.

: Linking Number (LK) تعداد دفعاتی که یک رشته با رشته دیگر در مولکول DNAتماس می یابد را LK می گویندکه توپولوژی مولکول DNA وابسته به آن است. LK همیشه عدد صحیح است و به دو عامل وابسته است :

Twist(Tw) : تعداد پیچش یک رشته حول رشته دیگر را نشان می دهد. در B-DNA اغلب LK و Tw با یکدیگر برابرند.

Write(Wr) : تعداد سوپرکویلها را نشان می دهد. رابطه زیر میان این سه ویژگی وجود دارد:

LK= Tw+ Wr

Write در واقع Supercoil های بعد از مارپیچ اولیه است. اگر سیم تلفن را در نظر بگیریم خودش مارپیچ است(Twist) که اگر آن را رها کنیم سیم یک بار دیگر دور خود می پیچد که به آن Write گویند.

LK همیشه ثابت است اما Tw و Wr می تواند متغیر باشد.  به عنوان مثال اگر در مولکولی LK برابر 5 است، Tw + Wr همیشه 5 است اما Tw و Wr می توانند متغیر باشند.

تعریف Twist : چرخشی که یک رشته روی رشته دیگر می کند. پس مارپیچ اولیه DNA یک Twist است.

اگر پیچی را وسط این مولکول قرار دهیم و پیچ را در جهت راست بچرخانیم، مارپیچ راست چرخان و اگر پیچ چپ چرخان باشد و پیچ را در جهت چپ بچرخانیم، مارپیچ چپ چرخان است

اگر مارپیچ به طرف راست رود، Tw آن مثبت است و اگر چپ گرد باشد Tw آن منفی است.

Write دو شکل دارد(دو نوعSupercoil ):

Interwound : اگر مولکول DNA بر روی خودش مارپیچ بزند.

Spiral : روی یک پروتئین یا مجموعه ای از پروتئین ها می پیچد.

در حالتی که مولکول کاملاً باز باشد و مارپیچ نشود Tw برابر 5 و Wr برابر صفر و Lk هم 5 می شود و اگر هم Tw و Wr تغییر کنند Lk ثابت است. مثلاً اگر Tw زیاد شود، Wr باید کم شود. اگر مارپیچ دومی چپ بچرخد مارپیچ درون شل می شود. اگر مارپیچ ثانویه در جهت مثبت بچرخد یعنی در جهت مارپیچ اولیه باشد، باعث می شود مارپیچ درون فشرده تر شود. برعکس اگر مارپیچ ثانویه در جهت عکس مارپیچ اولیه باشد، باعث می شود مارپیچ درون مارپیچ اولیه شل تر و از هم بازتر شود.

در نتیجه مارپیچ های منفی ثانویه، باعث شل شدن دو رشته مولکول DNA می شود اما مارپیچ های مثبت ثانویه باعث متراکم شدن و فشرده شدن مارپیچ اولیه مولکول DNA می شود. هر جا که بخواهیم دو رشته مولکول DNA متراکم تر و کوتاه تر شوند Supercoil مثبت مفید است و زمانی که دو رشته بخواهند آسان تر از هم جدا شوند، تا همانند سازی یا نسخه برداری انجام شود، در آنجا Supercoil منفی انجام می گیرد. اما در اکثر مولوکول ها به خصوص پروکاریوت ها و ویروس ها Supercoil منفی صورت می گیرد. چرا؟ چون سرعت تقسیم بالاست و باز و بسته شدن پیاپی رشته DNA مشکل ساز است و به همین علت سیستم به صورت Supercoil منفی بسته بندی شده است.

پیچیدن دور نوکلئوزوم از نوع Spiral است. در اینجا هم مثل حالت قبل ممکن است منفی یا مثبت باشد.

اگر یک مولکول DNA فرم B را در نظر بگیریم، در یک چرخش 360 درجه ای 5/10جفت باز دارد، Lk آن برابر است با تعداد بازهای نوکلئوتیدی این مولکول DNA بسته تقسیم بر تعداد باز نوکلئوتیدی که در یک چرخش 360 درجه ای دارد. حال اگر تعداد جفت باز، 378عدد باشد، و به تعداد باز در یک مارپیچ 360 درجه تقسیم شود. Lk آن 36می شود.

rLk : تفاوت بین Lk وقتی به صورت Relax استبا زمانی که بر روی آن مارپیچ سوپر حاصل شده است. مثلاً اگر 4 مارپیچ زده است، دو عدد از مارپیچ های اولیه که در مولکول DNA است کم می شود.  یعنی Lk فرق کرده است. در این مثال Lk در حالت Relax برابر36 است که اگر در این مولکولSupercoil ایجاد شود، Lk می تواند تغییر کند. تغییر Lk یعنی تفاوت بین Lk بعد از مارپیچ یا سوپر مارپیچ و Lk اولیه که به صورت Relax است. اگر این تفاوت به طور معنی دار کمتر از صفر باشد، یعنی مولکول  DNAبه صورت منفی Supercoil شده و اگر به صورت معنی دار بزرگتر از صفر باشد، یعنی مولکول  DNAبه صورت مثبت مارپیچ شده و Supercoil مثبت دارد.

در جای جای مولکول DNA پروکاریوت ها و یوکاریوت ها، Supercoil منفی وجود دارد. این Supercoil منفی به عنوان منبع انرژی آزادی است که می تواند در جدا شدن دو رشته مولکول DNA از هم کمک کند تا همانند سازی و نسخه برداری بتوانند عملی شوند.