БИОФИЗИКА, 2014, том 59, вып. 1, с. 12-36
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА
УДК 577.2.08
АНАЛИЗ СВЯЗЫВАНИЯ ЛИГАНДОВ С НУКЛЕИНОВЫМИ КИСЛОТАМИ
© 2014 г. Ю.Д. Нечипуренко* **
*Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 32; **Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
119899, Москва, Ленинские горы E-mail: пвсН99@тail.ru, песк@етЬ.ги Поступила в p едакцию 25.11.13 г.
В обзоре продемонстрированы возможности применения статистической термодинамики для анализа связывания лигандов (антибиотиков, олигонуклеотидов и белков) с ДНК и РНК. Обратимое связывание лигандов с нуклеиновыми кислотами рассматривается на основании теории адсорбции. Представления о профиле вероятности связывания лигандов с ДНК позволяют не только наиболее полно количественно описать такое связывание, но промоделировать экспрессию в генах простейших организмов. Описание связывания лигандов с нуклеиновыми кислотами в настоящее время востребовано в самом широком контексте для экспериментальных систем р азных типов. Такие современные методы биотехнологии, как молекулярное конструирование или применение микрочипов, имеют в своей основе анализ и предсказание связывания лигандов с нуклеиновыми кислотами.
Ключевые слова: связывание лигандов с ДНК, теория адсорбции, функция регуляции экспрессии, профиль вероятности.
В последние годы стали известны геномы многих организмов, однако вопрос о том, как работают гены, остается открытым. Каким образом линейная последовательность нуклеоти-дов ДНК задает трехмерную ор ганизацию клетки и опр еделяет ее временной жизненный цикл -одна из главных проблем молекулярной биологии. Регуляция работы генов осуществляется посредством взаимодействия лигандов - белков и малых нуклеиновых кислот с ДНК и РНК. В роли лигандов выступают как регулято рные белки (белковые факторы и целые белковые комплексы - например, гистоновые октамер ы), так и олигонуклеотиды, малые РНК. Лиганды служат тем инструмента рием живой клетки, который позволяет успешно сохранять, эффективно экспонировать и своевременно востребовать генетическую информацию. Лиганды связываются с участками нуклеиновых кислот, имеющими регуляторное значение, «включают» и «выключают» считывание гена, определяют пути превращения пре-мРНК в мРНК, играют ключевую роль при трансляции генетической информации, в результате котор ой и возникает
Сокращения: НК - нуклеиновые кислоты, подход ЗГВ -подход, основанный на работах А.С. Заседателева, Г.В. Гурского и М .В. Волькенштейна.
сложная упорядоченность структур и процессов живой клетки.
Для выполнения большинства из этих функций необходимо координированное действие нескольких молекул лиганда. На первый взгляд, эта «организованность» связывания лигандов с нуклеиновыми кислотами противоречит равно -весной природе взаимодействия молекул (такие взаимодействия носят характер случайного про -цесса). Ситуация осложняется тем обстоятельством, что в живой клетке взаимодействие ДНК с регуляторными белками проходит на фоне ее связывания с полипептидами, протаминами, олигонуклеотидами и разного рода низкомолекулярными соединениями, что сами молекулы ДНК в хромосомах плотно упакованы и т.д.
П ротиворечие между статистическим и организованным поведением молекул лиганда («хаосом» и «порядком») может найти разрешение в представлениях физической теории адсорбции. Дело в том, что сами молекулы ДНК и РНК, на которых происходит связывание, организованы как регулярные матр ицы, имеющие реакционные центры (химические группы), на котор ых «записаны» определенные сигналы. Регулято рные белки, в свою очередь, несут на себе «оттиски» участков этих матриц, стер иче-ски и электростатически комплементарные группы атомов. Таким обр азом, связывание
белков с матрицами нуклеиновых кислот (НК) происходит поср едством многоточечной коор-динир ованной адсорбции, приводящей к молекулярному узнаванию белками соответствующих участков матрицы. Координация связывания лигандов на матрицах НК может быть обусловлена также кооперативными взаимодействиями между адсорбированными лигандами и существованием определенных граничных условий.
Е сли лиганд связывается стерео специфично только с определенными участками матрицы («сайтами», которые редко встр ечаются на ДНК), такое связывание описывают пр и помощи уравнений химического равновесия. Однако большинство биологически активных лигандов способно связываться с разными участками матрицы. П ри таком «неспецифическом» связывании один лиганд может закрывать участок матрицы, делая его недоступным для связывания других молекул лиганда. Если константы связывания на разных участках НК равны, то в этом случае говорят о связывании на гомопо-лимере. В случае, когда такие константы на разных участках НК различаются, говорят о связывании на гетерополимере. Описание связывания в этих случаях требует привлечения методов статистической термодинамики.
Благодаря интересу основателя статистической механики Дж.В. Гиббса к явлению адсорбции мы имеем известное уравнение Гиббса [1]. Описанию связывания лигандов с биополимер ами посвящены работы А. Хилла и Дж. Скетчарда [2,3]. Развитие теории физической адсорбции интенсивно происходило в середине XX века (в том числе в статьях Зельдовича, Темкина, Киселева и других отечественных исследователей), однако наиболее «глубокий след» здесь оставили работы И. Ленгмюра, посвященные экспериментальному изучению связывания молекул газа на поверхностях [4]. В истории науки след оставляют те исследования, в которых удается составить общеупотребимую формулу, написать уравнения, применимые к разным системам. Так, совершенно уникальным по широте приложений оказались уравнения изотерм Хилла и Ленгмюра. Следует упомянуть также работу Р. Сипса [5], в которой описывается гетер огенное связывание лигандов и предложена своя фор мула для описания изотермы адсорбции.
В работах Т. Хилла [6], С. Латта и Г. Со -бера [7] и Д. Крозерса [8] сформулирован подход, позволяющий описывать адсорбцию ли-гандов на линейных полимерах. Т. Хилл предложил ряд моделей для описания связывания малых молекул с линейными полимерами и
получил уравнения, описывающие такое связывание. С. Латт и Г. Собер получили точное решение уравнений адсорбции для случая некооперативного связывания лигандов на гомо-полимере, Д. Крозерс продемонстрировал возможность расчета уравнений адсо рбции на ге-терополимере с помощью матричного метода.
Представления о решеточном узнавании, лежащем в основе взаимодействия между молекулами нуклеиновых кислот и регуляторными белками, были сформулир ованы в работах Г.В. Гурского и А.С. Заседателева с соавторами [9-14].
Молекула НК (или система молекул НК) в рамках таких представлений рассматривается как матрица, в которой можно выделить решетку реакционных центр ов. Лиганд также несет решетку реакционных центров, котор ые могут взаимодействовать с центрами связывания на НК по принципу комплементарности. Заметим, что представление о молекуле, на которой происходит адсорбция (т.е. молекуле, выполняющей роль адсорбента), как о матрице не было введено в работах Гурского и соавторов, однако по сути своего подхода эти авторы именно так представляли молекулу НК. Всюду далее здесь молекулы ДНК и РНК, как двух-цепочечные, так и одноцепочечные, будут называться матрицами, когда будет рассматриваться связывание на них лигандов. П редстав-ление об адсорбенте как о матрице требует определенной р асшифровки: мы пр едпочитаем употр еблять термин «матрица», потому что он является более общим, чем «полимер». Далее будет показано, что матрицу могут составлять, например, две молекулы ДНК, сближенные в пространстве. Мы предпочитаем тер мин «матрица» термину «решетка», потому что представление о решетке реакционных центров является уже модельным, т.е. регулярно расположенные атомы в составе матрицы можно р ас-сматривать как решетку реакционных центров на той стадии моделир ования, когда р еальная молекулярная система заменяется схемой связывания в процессе создания решеточной модели адсорбции. Заметим, что английское «1а1-йсе» может переводиться и как матрица и как решетка.
П рименение термина матрица по отношению к некоторой молекуле в биологическом контексте может быть связано с двумя свойствами такой молекулы: способностями к самовоспроизведению (1) и к передаче информации (2). Так, каждая отдельная цепь ДНК служит в качестве матрицы, по которой посредством ДНК-полимер азы достраивается другая цепь. Матричная РНК служит основанием для син-
теза белковой цепи на рибосоме и передачи тем самым информации от гена к белку. В обоих этих процессах происходит связывание лигандов с нуклеиновой кислотой, что является необходимым этапом молекулярного узнавания. Связывание лигандов на матрицах НК имеет биологический смысл. В русле такого понимания термина «матрица» мы используем его здесь. Лиганд «узнает» участок матр ицы и связывается с ним, и если такое связывание равновесно и обратимо, то можно применить к нему представления теории физической адсорбции. В простейшем случае в качестве матр ицы выступает линейный полимер, в более сложных случаях матрица представляет собой двойную, тройную, четверную спираль ДНК или даже систему таких спиралей, в которой можно выделить определенные решетки реакционных центров.
А .С. Заседателев с соавторами [9] сформулировали модель адсо рбции и нашли р ешение уравнений адсор бции для коопер ативного связывания протяженного лиганда на полимерах в той форме, в которой оно используется сейчас (так называемое «приближение бесконечного полимер а»). Г.В. Гурский с соавторами [10] получили рекуррентные соотношения, позволяющие р ассчитывать изотер мы адсор бции на гетерополимере произвольной длины. Эти авторы нашли также асимптотические соотношения, позволяющие рассчитать начальный ход изотерм адсорбции в представлении Скетчарда для связывания лиганда на гомополимере и гетерополимере со случайной последовательностью нуклеотидов и анализировать экспер имен-тальные кривые связывания. В целом, современный подход к описанию адсорбции протяже
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.