Анализ специфичности расщепления ДНК ультразвуком (1102352), страница 2
Текст из файла (страница 2)
(Дубна2006), 15-ой международной конференции «Математика, компьютер, образование»(Дубна, 2008), 17 -ой международной конференции «Математика, компьютер,образование»(Дубна,2010)и15-ом5Симпозиумепомежмолекулярномувзаимодействию и конформациям молекул (Петрозаводск, 2010), The second SaintPetersburg International Conference on NanoBio Technologies, (NanoBio' 08, СанктПетербург, Россия, 2008), 7th EBSA European Biophysics Congress, (EBSA, Генуя,Италия, 2009), Solvation and Ionic Effects in Biomolecules: Theory to Experiment,(Цахкадзор, Армения, 2010).Список опубликованных статей по теме диссертации приведен в конце настоящегоавтореферата.Научная новизна и практическая значимость работыВсе представленные выше результаты получены впервые. Предложенный подход кмоделированию расщепления ДНК под действием ультразвука высокой интенсивностипозволяет описать характерные особенности ультразвукового расщепления ДНК.Выявленная корреляция относительных частот ультразвукового расщепления симеющимися в литературе данными о конформационной подвижности дезоксирибозыпозволяет построить модель, качественно описывающую явление контекстнойспецифичности расщепления ДНК.
В соответствии с предложенной моделью, различиев относительных степенях ультразвукового расщепления является следствием отличияконформационной динамики дезоксирибозных групп сахарофосфатного остова ДНК.Таким образом, относительные частоты ультразвукового расщепления, по всейвидимости, позволяют описывать влияние нуклеотидной последовательности ДНК наподвижностьопределенныхучастковсахарофосфатногоостова.Полученныерезультаты могут быть использованы для выявления функциональных сайтов ДНК прианализе геномных последовательностей.Личный вклад автораВсе результаты оригинальных теоретических исследований получены лично автором,либо при его непосредственном участии.
Экспериментальные результаты былиполучены в лаборатории ДНК-белковых взаимодействий Института молекулярнойбиологии им. В.А. Энгельгардта РАН к.х.н. С.Л. Гроховским.6Структура и объем диссертацииДиссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Каждая главаснабжена краткой аннотацией, состоит из нескольких разделов и заключения. В концеработы приведен библиографический список используемой литературы и списокпубликаций автора по теме диссертации. Полный объем диссертационной работысоставляет 90 страниц, включая 30 рисунков.7Глава 1. Литературный обзор1.1. Подходы к изучению контекстно-зависимых физико-химических свойств ДНКВ настоящее время для компьютерного анализа стали доступны нуклеотидныепоследовательности геномов множества организмов.
Большое значение приобретаетразвитиеэффективныхметодовобнаруженияфункциональныхсайтоврасшифрованных последовательностей [Liolios et al, 2006; Wang et al, 2006]. Несмотряна значительные успехи методов биоинформатики, задача точного определениярегуляторных участков в геноме остается одной из важнейших в молекулярнойбиологии. Определение промоторных областей в ДНК, то есть участков, отвечающих зарегуляцию работы генов, важно не только для обнаружения новых генов, но и длялокализации областей генома, в которых следует проводить экспериментальный итеоретический поиск сайтов, наиболее важных для регуляции транскрипции.Известно, что свойства промоторных участков ДНК, как правило, сильноотличаются от свойств других областей генома [Florquin et al, 2005].
Большинствосуществующих алгоритмов поиска промоторных участков в геномах опираются насвойства нуклеотидных последовательностей уже известных промоторов и используюттакие методы, как дискриминантный анализ, цепи Маркова и искусственныенейронные сети [Sonnenburg et al, 2006]. Программы, реализующие алгоритмы такогорода, требуют большие объемы данных для «обучения», и являются зачастуюориентированными на определенный вид организмов, а также далеко не всегдаспособны быстро работать при анализе на уровне целого генома [Bajic et al, 2004;Sonnenburg et al, 2006].В последние годы успешно развиваются новые подходы к поиску регуляторныхучастков в геномах, основанные на использовании данных о контекстной зависимостиразличных физико-химических характеристик ДНК [Florquin et al, 2005; Abelev et al,2008; Dineen et al, 2009].
Основной идеей таких подходов является теоретическоепостроение и последующий анализ профиля, характеризующего изменение вдоль ДНКопределенного физико-химического параметра. При этом используются самые разныелокальные характеристики ДНК – гибкость, энергия стэкинга, температура плавления и8многие другие. Зависимость используемых физических характеристик ДНК отнуклеотидной последовательности, как правило, описывается в рамках ди-, три-, итетрануклеотидных приближений. Существенную роль играет вырожденность таких«физическихкодов»понуклеотиднойпоследовательностиДНК:разныепоследовательности могут приводить к схожим профилям изменения локальногоструктурного параметра ДНК.
Вырожденность такого рода позволяет предложитьновые критерии для анализа функциональных участков генома [Parker et al, 2009].Описанные подходы представляют собой важное дополнение к общепринятым методамбиоинформатики.Стоитотметить,чтоприописаниихарактерныхсвойстврегуляторныхпоследовательностей ДНК различные физико-химические характеристики молекулы вопределенном смысле могут дополнять друг друга [Florquin et al, 2005]. В процессахвзаимодействия ДНК с регуляторными и структурными белками важную роль играютлокальные конформационно-динамические характеристики молекулы ДНК: в конечномитоге белок «узнает» не определенную последовательность пар оснований в ДНК, аструктуру молекулы, как правило, меняя еѐ локальную геометрию. Описано множествовариантов ДНК-белкового узнавания [Becker et al, 2006; Rohs et al, 2009], и для разныхклассов белков ключевыми факторами, определяющими «прочность» связывания,могут быть самые разные локальные характеристики ДНК: гибкость, геометрияспирали, стабильность дуплекса, подвижность определенных молекулярных групп ит.д.Какизвестно,последовательности,всеэтипричемпараметрывлияниевДНКзависятпоследовательностиотнануклеотиднойлокальныехарактеристики ДНК может выходить далеко за рамки ди- и тетрануклеотидногоописания [Faiger et al, 2006].
Таким образом, сложность и многообразие процессоврегуляции генетической экспрессии требуют учѐта неоднородности разных физическихпараметров молекулы ДНК при описании характерных свойств еѐ функциональныхсайтов.9ОсобенностиДНК-белковыхвзаимодействий,какправило,изучаютсянамодельных системах. Примером такой модельной системы, анализу которой посвященомножество работ, является система регуляции экспрессии бактериофага лямбда –(далее – λ–фага) [Becker et al, 2006].На рисунке 1.1.
приведена структура комплекса белка-репрессора системы регуляцииэкспрессии λ–фага с операторным участком ДНК.Рис. 1.1. Структура комплекса белка-репрессора с операторным участком ДНК λ–фага, полученная методом рентгеноструктурного анализа. Разрешение структуры1.8 А, ее код в базе данных NDB (http://ndbserver.rutgers.edu/): PDR010.Как видно из рисунка, данный комплекс характеризуется наличием двухучастков ДНК, в которых имеются специфические контакты с молекулой белка. Междуними находится центральный участок, не вступающий в прямое взаимодействие сбелковым комплексом.
Было показано, что константа образования данного комплексасущественным образом зависит от нуклеотидной последовательности центральнойчасти операторного участка: при внесении точечных мутаций в данную областьконстанта связывания может изменяться в десятки раз. Особенности образованияданного комплекса являются характерными для так называемого «непрямого» типа10ДНК-белкового узнавания. Было показано, что существенное влияние на величинуконстанты образования данного комплекса оказывают определенные конформационнодинамические свойства центральной части операторного участка [Becker et al, 2006].Константа реакции образования ДНК-белкового комплекса может быть описана врамках равновесной термодинамики:K~ eFkT(1.1),где K – константа равновесия реакции образования ДНК-белкового комплекса,∆F – изменение свободной энергии системы при образовании комплекса, k –постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура.
При расчете изменения свободнойэнергии, как правило, пренебрегают изменениями в структуре белковой молекулы.Общепринятым является предположение о том, что на стадии «узнавания», измененияконформации белковой молекулы, как правило, значительно меньше, чем изменения,происходящие в структуре ДНК, что может выражено следующим образом:∆F=∆EDNA - T∆SDNA + V(1.2),где ∆EDNA – изменение энергии, связанное с изменением конформации ДНК, ∆SDNA –изменение энтропии ДНК, а V – потенциальная энергия взаимодействия ДНК сбелковой молекулой. Таким образом, изменение свободной энергии системы в данномприближенииспецифичностиопределяетсятремяобразования ДНКосновными–факторами.Приисследованиибелкового комплекса (например–приисследовании влияния последовательности центральной части операторного участка наэффективность образовании комплекса репрессор-оператор), часто используетсяследующее предположение, которое устанавливает иерархию перечисленных вышефакторов.
Взаимодействие белка с молекулой ДНК приводит к изменениюконформации ДНК. Величина константы образования комплекса для даннойнуклеотидной последовательности операторного участка зависит от энергетического иэнтропийного барьера, которые нужно «преодолеть» для перехода ДНК в даннуюконформацию.Тоестьпотенциальнаяэнергиявзаимодействияопределяетоптимальную конформацию ДНК в комплексе, а величины ∆EDNA и ∆SDNAопределяются исходя из особенностей данной конформации, а также конформационнодинамических свойств ДНК для данной последовательности.11Для определения величин ∆EDNA и ∆SDNA , как правило, используются данные оконформационной подвижности ДНК, полученные из анализа кристаллографическихданных для свободных и связанных олигонуклеотидов ДНК, данных ЯМР ирезультатов компьютерного моделирования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
