научная статья по теме БАКТЕРИОФАГ : ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕНОМА И ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ Биология

Текст научной статьи на тему «БАКТЕРИОФАГ : ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕНОМА И ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ»

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2015, том 49, № 3, с. 384-393

= МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЛОГЕНЕТИКА

УДК 577.214

БАКТЕРИОФАГ к: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕНОМА

И ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ

© 2015 г. Г. Г. Крутинин, Е. А. Крутинина, С. Г. Камзолова, А. А. Осипов*

Институт биофизики клетки Российской академии наук, Пущино, 142290 Поступила в редакцию11.11.2014 г.

Принята к печати 17.12.2014 г.

Бактериофаг к является классическим модельным объектом молекулярной биологии, однако очень мало известно о физических свойствах его ДНК и регуляторных элементов. В данной работе впервые изучены электростатические свойства ДНК и регуляторных элементов фага к. Глобальное распределение электростатического потенциала вдоль генома фага неравномерно и соответствует локализации его основных регуляторных элементов в ограниченной области с высоким значением потенциала. Частота посадки РНК-полимеразы на распрямленную хромосому фага прямо коррелирует с величиной ее локального потенциала. Сильные промоторы фага и бактерии-хозяина Escherichia coli имеют выраженные электростатические вышележащие (ир)-элементы с различающимися нуклеотидными последовательностями. Сайты присоединения и рекомбинации фага и его хозяина имеют повышенный потенциал, что, вероятно, облегчает их распознавание интегразой. Rho-независимые терминаторы фага и хозяина имеют симметричный М-образный профиль потенциала, слабо зависящий от длины терминаторного палиндрома, и расположены в области значительного повышения потенциала, что, возможно, способствует задержке полимеразы и облегчает формирование терминационной шпильки РНК. Таким образом, практически все элементы генома бактериофага к обладают характерными особенностями распределения потенциала, связанными с их структурными свойствами и играющими роль в осуществлении биологических функций. Глобальное распределение потенциала вдоль генома фага отражает архитектуру регуляции его транскрипции и интеграции с бактерией-хозяином.

Ключевые слова: элементы генома, ДНК, электростатические свойства, бактериофаг к.

BACTERIOPHAGE k: ELECTROSTATIC PROPERTIES OF THE GENOME AND ITS ELEMENTS, by E. A. Krutinina, G. G. Krutinin, S. G. Kamzolova, A. A. Osypov* (Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences, Pushchino, Moscow Region, 142290 Russia; *e-mail: aosypov@gmail.com). Bacteriophage k is a classical model object and its genome is extensively studied. However, little is known about physical properties of its genome and its elements. Here for the first time we study their electrostatic potential properties. Global distribution of electrostatic potential along k genome corresponds to the localization of its main regulatory elements in the restricted area with high negative potential. Binding frequency of RNA polymerase to linearized DNA along the genome, measured in direct experiment, correlates to the calculated potential value. Strong promoters of the phage and its E. coli host have strong electrostatic up-elements, the sequence texts of which are quite different. Attachment sites of k phage and E. coli posses high potential for integrase recognition. Rho independent k and host terminators have the same M-like potential profile, reflecting their palindrome nature, with the same scale in different annotated palindrome length and a broad electrostatic valley for a possible RNA polymerase retention, facilitating terminator hairpin formation. Almost all k genome elements exhibit electrostatic peculiarities of different kind, that reflect their structural properties and may play role in their biological functioning. Overall genome potential distribution reflects its transcription and host-integration regulation architecture. DEPPDB (deppdb.psn.ru) was used to carry out the analysis.

Keywords: genome elements, DNA, electrostatic properties, bacteriophage k. DOI: 10.7868/S0026898415030118

Функциональная активность ДНК реализуется и регулируется с помощью специальных белков, которые взаимодействуют с узнающими участками ДНК. ДНК-связывающие белки участ-

* Эл. почта: aosypov@gmail.com

вуют в многочисленных и разнообразных клеточных процессах, а ДНК-белковые взаимодействия отвечают за регуляцию таких важных функций, как транскрипция, репликация, рекомбинация.

Согласно современным представлениям, функция геномной ДНК определяется не только собственно нуклеотидной последовательностью, но и физико-химическими характеристиками, задаваемыми этими последовательностями [1—5]. Показано, что функционально значимые участки ДНК обладают рядом физических характеристик, которые отличают их от кодирующих областей. Такими характеристиками могут быть жесткость ДНК [6], легкоплавкость [7], изгиби-стость [8, 9], суперскрученность [10], заряд молекулы ДНК [11] и др.

Поэтому понимание механизмов, с помощью которых специфические белки осуществляют продуктивное взаимодействие со своими мишенями в геномной ДНК, требует изучения многочисленных механизмов образования стериче-ских, физических и химических связей и их взаимопревращений в сложном многоступенчатом процессе образования ДНК-белкового комплекса.

Особый интерес в изучении механизмов образования продуктивных ДНК-белковых комплексов представляют самые ранние (они же, как правило, лимитирующие скорость) этапы, связанные с идентификацией белком ДНК-мишеней в геноме и его первичной локализацией на них. На этом этапе формируются электростатические взаимодействия между разноименно заряженными связывающими участками белка и ДНК, которые играют и структурирующую роль, ориентируя нужным образом блок относительно са-харофосфатного остова ДНК, чтобы облегчить последующее взаимодействие реакционноспо-собных групп соответствующих аминокислот и нуклеотидов [12—14].

Участие электростатических взаимодействий на ранних этапах ДНК-белкового узнавания показано для таких ДНК-белковых пар, как РНК-по-лимераза Е. ео1—870-специфичные промоторы [1, 3, 11]; Т7-РНК-полимераза—специфические промоторы фага Т7, 1ас-репрессор—1ас-оператор [12, 14]. Установлено, что именно характер электростатических взаимодействий некоторых 870-спе-цифичных промоторов (промоторы ранних генов фага Т4 и рибосомных генов Е. еоЩ [3, 11], а также специфичных промоторов фага Т7 [13] с соответствующими РНК-полимеразами определяет их биохимические свойства (сила промоторов [13]) и функциональное поведение в ответ на изменение условий среды [11, 15]. В электростатических профилях этих промоторов обнаружены специфические элементы, ответственные за функциональное поведение промоторов. Они идентифицированы как промоторные детерминанты нового типа.

Интересно, что в электростатических профилях сайтов ДНК и некоторых других ДНК-связы-вающих белков обнаружены очевидные характеристические элементы, указывающие на их воз-

можную функциональную значимость, например в сайтах посадки ряда факторов транскрипции [16].

Все это подчеркивает важность электростатических взаимодействий для понимания механизмов ДНК-белкового узнавания и указывает на необходимость их изучения в случае новых ДНК-белковых пар. Исследования такого рода помогут выяснить распространенность (и возможную универсальность) этого механизма для проявления функциональной активности ДНК и конкретизировать возможный вклад электростатической компоненты в ДНК-белковое узнавание новых ДНК-белковых пар, участвующих в выполнении каких-то конкретных функций ДНК.

В нашей работе изучена электростатическая карта генома бактериофага X, проведен сравнительный анализ электростатических и функциональных свойств его ДНК. Выбор этого объекта обусловлен несколькими причинами. Бактериофаг X — классический модельный объект молекулярной биологии и генетики, а также современной эволюционной биологии [17]. Закономерности, найденные для этого фага, легли в основу изучения других объектов. Бактериофаг X широко используется в биотехнологии для решения практических задач медицины, сельского хозяйства и пищевой промышленности [17]. Геном фага X — небольшой по размеру, его ДНК состоит из 48502 п.н. Известна генетическая карта этого фага, определена локализация основных функционально значимых участков, достаточно подробно охарактеризованы некоторые биохимические свойства его ДНК, в частности, функциональные активности промоторов. Все это позволяет проанализировать механизмы функциональной активности генома бактериофага X и связать их с электростатическими характеристиками функционально значимых участков ДНК.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Анализ проводили с использованием DEPPDB (DNA Electrostatic and other Physical Properties DataBase) — базы данных электростатических и других физических свойств ДНК, и ее инструментов (http://deppdb.psn.ru/) [18, 19]. Исследовали геном бактериофага X (NCBI RefSeq: NC_001416.1, GI:9626243) и геном модельного штамма E. coli K-12 MG1655 (NCBI RefSeq: NC_000913.2, GI:49175990). Данные о координатах и биологических свойствах элементов генома бактериофага X, не представленные в базе, брали из литературных источников. Геномная карта получена из NCBI RefSeq Genome Browser.

Величина электростатического потенциала на графиках указана в условных единицах, имеющих размерность электрического заряда на единицу длины, а именно, заряда электрона на ангстрем (ё/А2), полученных суммированием

-21.0

и ¡^

ч

св -

и

Я Я

в

о

я

«

и

м -

о (U

IS

св -

н о о

-21.5

22.0

22.5

23.0

23.5

(U

ч

а

-24.0

-24.5

мкм

Рис. 1. Электростатическая (а, горизонтальная линия — среднее значение потенциала) и генетическая (б) карты генома бактериофага X. Обозначено положение сайта интеграции с геномом бактерии-хозяина (аИ) и двух основных сильных промоторов литического-лизогенного пути pL и pR.

величин зарядов на поверхности цилиндра длиной 1 Ä и радиусом 15 Ä (для получения истинного заряда, т.е. усредненного, а не суммированного по углу, это значение следует разделить на 2 х 15 х х я « 90). Радиус был выбран в соответствии с расстоянием, на котором белки неспецифически взаимодействуют с ДНК.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Глобальные и локальные свойства генома бактериофага 2

Особенности организации генетической и электрост

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»