Роль ДНК-топоізомерази підтриманні структури і функціонуванні хроматину

Топоізомерази контролюють в клітинах рівень суперспіралізації ДНК, що може змінюватися в процесі її реплікації, транскрипції, гомологічній рекомбінації, а також під час перебудов хроматину. Всі ці ферменти релаксують суперспіралізовані молекули ДНК, знижуючи їх внутрішнє напруження шляхом внесення одно- чи дволанцюгових розривів з подальшим їх відновленням (лігуванням). За механізмом дії розрізняють два типи ДНК-топоізомераз: I і II. ДНК-топоізомерази I – мономерні білки, які здійснюють релаксацію ДНК шляхом внесення одноланцюгових розривів, відповідно без витрат енергії. На відміну від даного ферменту, ДНК-топоізомераза II функціонує у формі димерів, здійснюючи ATФ-залежне розщеплення обох ланцюгів ДНК з подальшим перенесенням ланцюгів через розрив і його лігуванням (Рис. 5.).

Рис. 5. Основні етапи каталітичного циклу топоіомерази II

Для внесення одноланцюгового розриву в ДНК всі ДНК-топоізомерази використовують залишок тирозину, що здійснює нуклеофільну атаку фосфатної групи ДНК з утворенням фосфотирозину [12]. В результаті ферменти ковалентно зв’язуються з 5'- або 3'-кінцями ДНК в одноланцюговому розриві. Утворення такого ковалентного зв'язку позбавляє необхідності витрат енергії при відновленні фосфодиефірного зв'язку в одноланцюговому розриві на завершальних стадіях реакції. У ДНК-топоізомераз I міститься один каталітичний залишок тирозину на молекулу мономерного білка, тоді як димери ДНК-топоізомераз II містять по одному каталітичному залишку на кожну субодиницю, що забезпечує створення ступеневого дволанцюгового розриву в молекулі релаксованої ДНК.

Виявлено, щонайменше два підтипи ДНК-топоізомераз I – IA і IB, що, будучи неспорідненими ферментами як за первинною, так і за просторовою структурами, виконують аналогічні функції за допомогою різних механізмів. До недавнього часу ДНК-топоізомерази IA вважали виключно прокаріотичними ферментами, проте вони були знайдені і в клітинах еукаріот, включаючи клітини людини, і названі ДНК-топоізомеразами III [7].

ДНК-топоізомераза IA релаксує ДНК, що містить лише негативні супервитки, для функціонування потребує наявності іонів Mg²⁺ та ковалентно приєднується до 5'-кінцівДНК в утворених тимчасових одноланцюгових розривах. На відміну від даного ферменту, ДНК-топоізомерази IB здатні релаксувати ДНК як з позитивними, так і з негативними супервитками, для свого функціонування не потребують іонів металів і ковалентно приєднуються до 3'-кінцівДНК. ДНК-топоізомерази IB знайдені лише у клітинах еукаріот (єдиний вийняток – вірус вакцин).

У клітинах людини ДНК-топоізомераза IB/III специфічно інгібується камптотецином (camptothecin), що на даний час розглядається як перспективний протипухлинний препарат [7, 12]. Це сполука в основному взаємодіє з ковалентним комплексом топоізомераза I–ДНК, що пригнічує реакцію відновлення фосфодиефірного зв'язку і звільнення ферменту з комплексу. В результаті відбувається швидке накопичення дволанцюгових розривів ДНК і перехід клітин до апоптичного розвитку.

ДНК-топоізомераза II є життєво важливим ферментом еукаріотичних організмів. Окрім релаксації суперспіралізованих молекул ДНК вона здійснює утворення або розщеплення вузлів й утворення або розділення катенанів (кільцевих замкнутих ДНК, зчеплених одна з одною). Реакції розв'язування вузлів і розділення катенанів забезпечуються саме ДНК-топоізомеразами II і не здійснюються ДНК-топоізомеразами I.

У дріжджів ДНК-топоізомераза II необхідна для розділення катенанів сестринських хроматид хромосом в анафазі митозу і для сегрегації хромосом в мейозі, а також конденсації хроматину в процесі формування метафазних хромосом. Встановлено важливу роль ДНК-топоізомерази II і у формуванні вищих рівнів структури хроматину, а саме участь ферменту в утворенні петель хроматину під час конденсації хромосом [5].

ДНК-топоізомераза II локалізується в ядрі і у великих кількостях асоціюється з ДНК як в інтерфазних, так і метафазних ядрах. За допомогою специфічних антитіл показано, що молекули ферменту розміщуються переважно уздовж центральної повздовжньої осі обох плечей хромосом у більшості організмів. Таке аксіальне розміщення ДНК-топоізомерази II в хромосомах спостерігали навіть після видалення з них значної частини гістонів. Вважається, що ДНК-топоізомераза II знаходиться у вигляді гомодимеру в основі петель, взаємодіючи з MAR/SAR-послідовностями ДНК хроматину. Хоч топоізомераза II не виявляє строгої специфічності відносно місць розщеплення послідовностей нуклеотидів, структурні компоненти хроматину мають великий вплив на вибір сайтів розрізання. Показано, що in vivo існують два класи сайтів, за якими відбувається розрізання ДНК цим ферментом: одні з них локалізовані в активно транскрибуючих ділянках хроматину, гіперчутливих до дії нуклеаз, а інші – безпосередньо в MAR/SAR-послідовностях [5]. Асоціація ДНК-топоізомерази II з активно транскрибованими ділянками хроматину вказує на її можливу роль в регуляції експресії генів. Таким чином, ДНК-топоізомераза II є одним з ключових ферментів, необхідних для вирішення складних топологічних проблем, що виникають при зміні структури хроматину в процесах реплікації ДНК, транскрипції генів і сегрегації хромосом в мітозі й мейозі. Певні ізоформи (a або b) цього ферменту, ймовірно, відіграють важливу роль в підтриманні динамічної структури хроматину інтерфазних і мітотичних хромосом.

ВИСНОВКИ

Отже до складу геному еукаріот входять: хромосоми, геноми мітохондрій (1-20% сумарної ДНК), геноми хлоропластів (1-10% сумарної ДНК), мобільні генетичні елементи (10-20% сумарної ДНК), плазміди (в клітинах нижчих еукаріот та в мітохондріях). Для еукаріотичних організмів характерна мозаїчна (інтрон-екзонна) структура генів, на відміну від прокаріот, що містять неперервні геноми. Розміри геному еукаріот зростають до 10⁷-10¹² п.н, кількість генів – у ~ 10 разів, розміри генів – в 5-15 разів порівняно з прокаріотичними організмами. Значна частка геномів еукаріотичних організмів припадає на ділянки ДНК, що повторюються.

Результати багаточисельних дослідженнь свідчать про високовпорядковану організацію геному у еукаріотичних організмів. Першим рівнем такої впорядкованості є консервативний лінійний розподіл генів та інших послідовностей нуклеотидів уздовж молекул ДНК хромосом, що служить важливою таксономічною ознакою [1].

Іншою не менш важливою властивістю геному еукаріот є його впорядкований розподіл в об'ємі інтерфазних ядер. Високоспецифічний просторовий розподіл хроматину еукаріот в інтерфазних ядрах можна розглядати в якості другого рівня його впорядкованості [1, 5]. Перебуваючи у деконденсованому стані після завершення мітозу, інтерфазні хромосоми займають певні мікрокомпартменти всередині інтерфазних ядер.

Певні ділянки хромосом, марковані специфічними (зокрема MAR/SAR) послідовностями, відіграють певну роль у прикріпленні ДНК хромосом до компонентів ядерного матриксу і ядерних мембран. Така взаємодія необхідна для ефективної реалізації генетичної інформації в процесі експресії генів, ефективної конденсації хроматину і розділення хромосом в процесах мітозу та мейозу. Крім того, просторово організований розподіл генетичного матеріалу в інтерфазних ядрах забезпечує диференціальний захист від мутацій окремих генетичних локусів і, ймовірно, може контролювати темп і напрям еволюційних змін як окремих локусів, так і організмів в цілому. Проте, через значні методичні труднощі, дослідження просторової організації геному в інтерфазних ядрах (архітектоніки ядра ) перебуває на зародковому етапі.

ЛІТЕРАТУРА

.

1. Георгиев Г.П., Бакаев В.В. Три уровня структурной организации хромосом эукариот // Молекуляр. биология. 1978. Т.12. С. 1205–1230.
2. Гершензон С.М. Основы современной генетики. – Киев: Наук.думка, 1983. 560 с.
3. Глазков М.В. Петельно-доменная организация генов в эукариотических хромосомах // Молекуляр. биология. 1995. Т.29. С. 965–982.
4. Льюин Б. Гени: Пер. с англ. – М.: Мир, 1987. 544 с., ил.
5. Патрушев Л.И. Экспрессия генов. – М.: Наука, 2000. 830 с., ил.
6. Сингер М., Берг П. Гены и геномы: В 2-х т. Т. 2. Пер. с англ. М.: Мир, 1998. 373 с., ил.
7. Фогель Ф., Мотульски А. Генетика человека: в 3-х т. Т.1. Пер. с англ. М.: Мир, 1989. 312 с., ил.
8. Adams C. R., Kamakaka R. T. Chromatin assembly: Biochemical identities and genetic redundancy // Curr. Opinion Genet. Develop. 1999. Vol. 9. 185–190.
9. Debrauwere H., Gendrel C.G., Lechat S., Dutreix M. Differences and similarities between various tandem repeat sequences: Minisatellites and microsatellites // Biochemie. 1997. Vol. 79. P. 577–586.
10. Gruss C., Knippers R. Structure of replicating chromatin // Progr. Nucl. Acids Res. Mol. Biol. 1996. Vol. 52. P. 337–365.
11. Kornberg R. D., Lorch Y. Twenty-five years of the nucleosome, fundamental particle of the eukaryote chromosome // Cell 1999. Vol. 98. P. 285–294.
12. Poljak L., Kas E. Resolving the role of topoisomerase II in chromatin structure and function // Trends Cell Biol. 1995. Vol. 5. P. 348–354.

Дата добавления: 2015-11-14