التفاف الحمض النووي الفائق

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 13 صور
الموسوعة الحرة

بنية فائقة الالتفاف لجزيئات الحمض النووي الدائرية ذات الالتفاف المنخفض. تم حذف الطبيعة الحلزونية لجزيء الحمض النووي المزدوج للتوضيح.
بنية فائقة الالتفاف لجزيئات الحمض النووي الخطي ذات النهايات المقيدة. تم حذف الطبيعة الحلزونية لجزيء الحمض النووي المزدوج للتوضيح.

يشير مصطلح "الالتفاف الفائق" في الحمض النووي إلى مقدار الالتفاف في خيط معين من الحمض النووي ، والذي يحدد مقدار الإجهاد الواقع عليه. قد يكون الخيط "ملتفًا فائقًا إيجابيًا" أو "ملتفًا فائقًا سلبيًا" (أكثر أو أقل التواءً). يؤثر مقدار الالتفاف الفائق في الخيط على عدد من العمليات البيولوجية، مثل تكثيف الحمض النووي وتنظيم الوصول إلى الشفرة الوراثية (مما يؤثر بشدة على استقلاب الحمض النووي وربما على التعبير الجيني). تعمل بعض الإنزيمات، مثل إنزيمات التوبويزوميراز ، على تغيير مقدار الالتفاف الفائق في الحمض النووي لتسهيل وظائف مثل تضاعف الحمض النووي ونسخه . [ 1 ] يُوصف مقدار الالتفاف الفائق في خيط معين بصيغة رياضية تقارنه بحالة مرجعية تُعرف باسم "الحمض النووي من النوع B المسترخي" .

ملخص

في قطعة حلزونية مزدوجة "مرتخية" من الحمض النووي B ، يلتف الشريطين حول المحور الحلزوني مرة كل 10.4 إلى 10.5 زوجًا من القواعد النيتروجينية . يؤدي إضافة أو إزالة الالتواءات، كما تفعل بعض الإنزيمات ، إلى إجهاد. إذا تم إغلاق قطعة من الحمض النووي تحت إجهاد الالتواء على شكل دائرة عن طريق وصل طرفيها، ثم سُمح لها بالتحرك بحرية، فإنها تتخذ شكلًا مختلفًا، مثل شكل الرقم ثمانية. يُشار إلى هذا الشكل باسم اللفة الفائقة . (غالبًا ما يُستخدم الاسم "اللفة الفائقة" عند وصف بنية الحمض النووي ).

يكون الحمض النووي لمعظم الكائنات الحية عادةً ملتفًا بشكل فائق سلبي. ويصبح ملتفًا بشكل فائق إيجابي مؤقتًا أثناء عملية النسخ أو التضاعف. وتُثبط هذه العمليات (تُنظم) إذا لم يُرخى الحمض النووي بسرعة. أبسط شكل للالتفاف الفائق هو الرقم ثمانية؛ ويتخذ شريط الحمض النووي الدائري هذا الشكل لاستيعاب عدد أكبر أو أقل من الالتفافات الحلزونية. يظهر فصا الرقم ثمانية وكأنهما يدوران إما باتجاه عقارب الساعة أو عكسها بالنسبة لبعضهما البعض، وذلك اعتمادًا على ما إذا كان الحلزون ملتفًا بشكل زائد أو ناقص. لكل لفة حلزونية إضافية يتم استيعابها، يُظهر الفصان دورة إضافية حول محورهما. [ 2 ]

تُعرف الالتواءات الفصية في الحمض النووي الدائري، مثل دوران الفصوص على شكل الرقم ثمانية الموضحة أعلاه، باسم الالتفاف . يوضح المثال السابق أن الالتواء والالتفاف قابلان للتحويل المتبادل. يمكن تمثيل الالتفاف الفائق رياضيًا بمجموع الالتواء والالتفاف. الالتواء هو عدد اللفات الحلزونية في الحمض النووي، والالتفاف هو عدد مرات تقاطع الحلزون المزدوج على نفسه (وهذه هي اللفات الفائقة). الالتواءات الحلزونية الإضافية موجبة وتؤدي إلى التفاف فائق موجب، بينما الالتواءات الناتجة عن الطرح تُسبب التفافًا فائقًا سالبًا. تستشعر العديد من إنزيمات التوبويزوميراز الالتفاف الفائق، فتقوم إما بتوليده أو تبديده عند تغيير بنية الحمض النووي.

بسبب كبر حجم الكروموسومات ، قد تتصرف القطع الموجودة في المنتصف كما لو كانت أطرافها مثبتة. ونتيجة لذلك، قد تعجز عن توزيع الالتواء الزائد على باقي الكروموسوم أو امتصاص الالتواء للتعافي من الالتفاف غير الكافي - أي قد تصبح هذه القطع فائقة الالتفاف . واستجابةً لهذا الالتفاف الفائق، ستتخذ هذه القطع مقدارًا من الالتواء، تمامًا كما لو كانت أطرافها متصلة.

يشكل الحمض النووي فائق الالتفاف بنيتين: بلكتونيم أو توريد ، أو مزيج منهما. ينتج جزيء الحمض النووي فائق الالتفاف السالب إما حلزونًا يساريًا أحادي البداية (التوريد)، أو حلزونًا يمينيًا ثنائي البداية مع حلقات طرفية (البليكتونيم). تُعد البليكتونيمات أكثر شيوعًا في الطبيعة، وهي الشكل الذي تتخذه معظم البلازميدات البكتيرية . بالنسبة للجزيئات الأكبر حجمًا، من الشائع تكوين بنى هجينة - حيث يمكن أن تمتد حلقة على التوريد لتشكل بلكتونيم. إذا امتدت جميع الحلقات على التوريد، فإنها تصبح نقطة تفرع في بنية البليكتونيم. يُعد التفاف الحمض النووي الفائق مهمًا لتعبئة الحمض النووي داخل جميع الخلايا، ويبدو أنه يلعب دورًا أيضًا في التعبير الجيني. [ 3 ] [ 4 ]

الالتفاف الفائق للحمض النووي الناتج عن التداخل

استنادًا إلى خصائص الجزيئات المتداخلة ، أي تألقها عند ارتباطها بالحمض النووي وفكّها لأزواج قواعد الحمض النووي، طُرحت في عام 2016 تقنية الجزيء الواحد لتصوير الحزم الحلزونية الفردية مباشرةً على طول الحمض النووي فائق الالتفاف [ 5 ] ، مما يسمح بدراسة تفاعلات بروتينات معالجة الحمض النووي مع الحمض النووي فائق الالتفاف. في تلك الدراسة، استُخدم صبغ سيتوكس أورانج (صبغة متداخلة) لتحفيز الالتفاف الفائق على جزيئات الحمض النووي المرتبطة بالسطح.

باستخدام هذا التحليل ، وُجد أن تسلسل الحمض النووي يُشفّر موقع اللفائف الفائقة البليكتونية. [ 6 ] علاوة على ذلك، وُجد أن اللفائف الفائقة للحمض النووي تتواجد بكثرة في مواقع بدء النسخ في بدائيات النوى . [ 7 ]

الوظائف

تغليف الجينوم

يُعدّ الالتفاف الفائق للحمض النووي (DNA) ضروريًا لتعبئة الحمض النووي داخل جميع الخلايا. ونظرًا لأن طول الحمض النووي قد يصل إلى آلاف أضعاف طول الخلية، فإن تعبئة هذه المادة الوراثية داخل الخلية أو النواة (في حقيقيات النوى ) تُشكّل مهمةً بالغة الصعوبة. يُقلّل الالتفاف الفائق للحمض النووي من المساحة المتاحة، مما يُتيح تعبئة الحمض النووي. في بدائيات النوى، تسود اللفائف الفائقة المُلتفة، نظرًا لوجود الكروموسوم الدائري وكمية المادة الوراثية الصغيرة نسبيًا. أما في حقيقيات النوى، فيوجد الالتفاف الفائق للحمض النووي على مستويات عديدة، تشمل اللفائف الفائقة المُلتفة واللفائف الفائقة الحلزونية، حيث تُعدّ اللفائف الفائقة الحلزونية الأكثر فعالية في ضغط الحمض النووي. ويتحقق الالتفاف الفائق الحلزوني بواسطة الهستونات لتشكيل  ألياف قطرها 10 نانومتر. ثم تُلفّ هذه الألياف لتُصبح  أليافًا قطرها 30 نانومتر، وتُلفّ على نفسها مرات عديدة أخرى.

يزداد تغليف الحمض النووي بشكل كبير أثناء الانقسام المتساوي عندما تنفصل نسخ الحمض النووي الشقيقة المتضاعفة إلى الخلايا البنت. وقد ثبت أن الكوندنسين ، وهو مركب بروتيني كبير يلعب دورًا محوريًا في تجميع الكروموسومات أثناء الانقسام المتساوي، يحفز تكوين الالتفافات الفائقة الموجبة بطريقة تعتمد على تحلل الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) في المختبر . [ 8 ] [ 9 ] قد يلعب الالتفاف الفائق أيضًا دورًا مهمًا خلال الطور البيني في تكوين وصيانة نطاقات الارتباط الطوبولوجي (TADs). [ 10 ]

يُعدّ الالتفاف الفائق ضروريًا أيضًا لتخليق الحمض النووي DNA/RNA . ولأنّ الحمض النووي DNA يجب أن يُفكّ التفافه لكي يعمل إنزيم بوليميراز DNA/RNA ، تتولد التفافات فائقة. تُفكّ التفافات المنطقة الواقعة أمام مُركّب البوليميراز، ويُعوَّض هذا الإجهاد بتفافات فائقة موجبة أمام المُركّب. أما خلف المُركّب، فيُعاد التفاف الحمض النووي DNA، وتكون هناك التفافات فائقة سالبة مُعوِّضة . وتلعب إنزيمات التوبويزوميراز، مثل إنزيم DNA جيراز ( التوبويزوميراز من النوع الثاني )، دورًا في تخفيف بعض الإجهاد أثناء تخليق الحمض النووي DNA/RNA. [ 11 ]

في العديد من أنواع البكتيريا، تقسم الحواجز التي تعيق انتشار الالتفاف الفائق الجينوم إلى سلسلة من نطاقات الالتفاف الفائق المعزولة طوبولوجيًا (SDs). [ 12 ] تلعب هذه النطاقات دورًا رئيسيًا في تنظيم النواة . تكون نطاقات الالتفاف الفائق سالبة في المتوسط، ولكنها قد تكون موجبة الالتفاف أحيانًا. تختلف درجة الالتفاف الفائق استجابةً لأنواع مختلفة من الإجهاد، وتؤثر على ارتباط بروتينات النواة المرتبطة (NAPs) التي تُسهم في تنظيم الجينوم البكتيري . [ 13 ] على سبيل المثال، ثبت أن بروتين Dps من بكتيريا الإشريكية القولونية يرتبط بالحمض النووي الملتف فائقًا بسرعة أكبر بكثير من ارتباطه بالحمض النووي غير الملتف. [ 14 ]

التعبير الجيني

تستطيع بروتينات متخصصة فكّ أجزاء صغيرة من جزيء الحمض النووي (DNA) عند تضاعفه أو نسخه إلى الحمض النووي الريبوزي (RNA) . لكن دراسة نُشرت عام 2015 توضح كيف ينفتح الحمض النووي (DNA) تلقائيًا. [ 3 ] [ 4 ]

يمكن لعملية لف الحمض النووي (DNA) ببساطة أن تكشف القواعد الداخلية للخارج، دون الحاجة إلى أي بروتينات. كما أن عملية النسخ نفسها تُشوّه الحمض النووي في الخلايا البشرية الحية، فتُضيّق بعض أجزاء اللولب وتُرخّي أجزاءً أخرى. يُحفّز هذا الإجهاد تغييرات في الشكل، أبرزها فتح اللولب لقراءته. لسوء الحظ، يصعب دراسة هذه التفاعلات لأن الجزيئات البيولوجية تُغيّر أشكالها بسهولة بالغة. في عام 2008، لُوحظ أن عملية النسخ تُشوّه الحمض النووي، تاركةً وراءها أثرًا من الحمض النووي ذي الالتفاف المنخفض (أو الالتفاف الفائق السلبي). علاوة على ذلك، اكتشفوا أن تسلسل الحمض النووي نفسه يؤثر على كيفية استجابة الجزيء للالتفاف الفائق. [ 3 ] [ 4 ]

على سبيل المثال، حدد الباحثون تسلسلًا محددًا من الحمض النووي (DNA) ينظم سرعة النسخ؛ فمع ازدياد أو انخفاض مقدار الالتفاف الفائق، تتباطأ أو تتسارع وتيرة قراءة الآليات الجزيئية للحمض النووي. [ 3 ] يُفترض أن هذه التغيرات البنيوية قد تُحفز إجهادًا في أماكن أخرى على طوله، مما قد يوفر بدوره نقاطًا محفزة للتضاعف أو التعبير الجيني. [ 3 ] [ 4 ] وهذا يعني أنها عملية ديناميكية للغاية، حيث يؤثر كل من الحمض النووي والبروتينات على كيفية عمل الآخر وتفاعله. [ 3 ]

التعبير الجيني أثناء الصدمة الباردة

يُثبَّط ما يقارب نصف جينات بكتيريا الإشريكية القولونية التي تُثبَّط أثناء الصدمة الباردة بنفس الطريقة عند تثبيط إنزيم الجيراز بواسطة المضاد الحيوي نوفوبيوسين . [ 15 ] علاوة على ذلك، خلال الصدمات الباردة، تزداد كثافة النيوكلييدات، ويتواجد بروتين الجيراز والنيوكلييد في نفس الموقع (وهو ما يتوافق مع انخفاض استرخاء الحمض النووي). يُعد هذا دليلاً على أن انخفاض الالتفاف الفائق السالب للحمض النووي هو أحد الآليات الرئيسية المسؤولة عن تثبيط نسخ نصف الجينات التي تُنفِّذ برنامج الاستجابة النسخية للصدمة الباردة في البكتيريا. بناءً على ذلك، تم اقتراح نموذج عشوائي لهذه العملية. يوضح الشكل هذا النموذج، حيث يُمثِّل التفاعل 1 عملية النسخ وتثبيطها بسبب الالتفاف الفائق. في حين تُمثِّل التفاعلات من 2 إلى 4، على التوالي، عملية الترجمة، وتحلل الحمض النووي الريبوزي والبروتين. [ 15 ]

يوضح الشكل كيف يؤثر التعرض للصدمة الباردة على حالة الالتفاف الفائق للحمض النووي، وذلك عن طريق تثبيط نشاط إنزيم الجيراز. تشير العلامتان "-" و"+" إلى الالتفاف الفائق السالب والموجب على التوالي. كما يُظهر الشكل نموذجًا عشوائيًا للتعبير الجيني أثناء التعرض للصدمة الباردة كدالة لحالة الالتفاف الفائق العامة للحمض النووي. يؤدي الانتقال من حالة التشغيل (ON) إلى حالة الإيقاف (OFF) للمحفز (P) إلى توقف عملية النسخ (أي إنتاج الحمض النووي الريبوزي RNA). عندما يكون المحفز في حالة التشغيل، فإنه قادر على إنتاج الحمض النووي الريبوزي RNA، الذي يمكن من خلاله إنتاج البروتينات. يتعرض كل من الحمض النووي الريبوزي RNA والبروتينات دائمًا للتلف أو التخفيف نتيجة لانقسام الخلايا.

الوصف الرياضي

رسم توضيحي يوضح الفرق بين كروموسوم DNA دائري (بلازميد) مع التواء حلزوني ثانوي فقط، وآخر يحتوي على التواء حلزوني فائق ثالثي إضافي متراكب على اللف الحلزوني الثانوي.

في الطبيعة، يُعزل الحمض النووي الدائري دائمًا على شكل حلزون مزدوج من الرتبة العليا، يُعرف باسم الحلزون الفائق . عند مناقشة هذا الموضوع، يُشار إلى التواء واتسون-كريك باللف "الثانوي"، وإلى الحلزونات الفائقة باللف "الثالثي". يُظهر الرسم التخطيطي على اليسار حلزون واتسون-كريك المزدوج "المسترخي" أو "الدائري المفتوح"، وبجانبه حلزون فائق يميني. لا يُلاحظ التركيب "المسترخي" على اليسار إلا إذا كان الكروموسوم مقطوعًا؛ أما الحلزون الفائق فهو الشكل الأكثر شيوعًا في الطبيعة.

لأغراض الحسابات الرياضية، يُعرَّف اللولب الفائق الأيمن بأنه ذو عدد "سالب" من اللفات، بينما يُعرَّف اللولب الفائق الأيسر بأنه ذو عدد "موجب" من اللفات. في الرسم (الموضح على اليمين)، كل من اللف الثانوي ( أي "واتسون-كريك") واللف الثالثي ( أي "اللولب الفائق") يمينيان، وبالتالي فإن عدد اللفات الفائقة سالب (-3 في هذا المثال).

يُفترض أن الالتفاف الفائق ناتج عن نقص في عدد اللفات، أي وجود نقص في عدد لفات واتسون-كريك الثانوية. سيتعرض هذا الكروموسوم للإجهاد، تمامًا كما يتعرض نابض معدني كبير للإجهاد عند زيادة لفه أو فكه. في الحمض النووي الذي يتعرض لهذا الإجهاد، ستظهر الالتفافات الفائقة.

يمكن وصف الالتفاف الفائق للحمض النووي (DNA) عدديًا من خلال التغيرات في عدد الالتفاف Lk . يُعد عدد الالتفاف الخاصية الأكثر دلالة على الحمض النووي الملتف الفائق. يُحدد Lk ، وهو عدد اللفات في بلازميد/جزيء الحمض النووي (DNA) المُرخى (النوع B)، بقسمة إجمالي أزواج القواعد في الجزيء على عدد أزواج القواعد المُرخى لكل لفة ، والذي يتراوح ، بحسب المرجع ، بين 10.4 و 10.5 و 10.6 .

لكo=بص/10.4{\displaystyle Lk_{o}=bp/10.4}

يمثل Lk عدد التقاطعات التي يُحدثها أحد خيوط الحمض النووي عبر الآخر، وغالبًا ما يُصوَّر على أنه عدد التواءات واتسون-كريك الموجودة في كروموسوم دائري في إسقاط مستوٍ (عادةً ما يكون وهميًا). هذا العدد "مُثبَّت" فعليًا لحظة الإغلاق التساهمي للكروموسوم، ولا يمكن تغييره دون حدوث كسر في أحد الخيوط.

تُوصَف بنية الحمض النووي (DNA) بالمعادلة التالية، حيث يُعادل عدد الروابط مجموع Tw ، وهو عدد لفات أو انحناءات الحلزون المزدوج، و Wr ، وهو عدد اللفات أو الالتفافات. في حالة جزيء الحمض النووي المغلق، لا يتغير مجموع Tw و Wr ، أو عدد الروابط. مع ذلك، قد تحدث تغيرات مُكمِّلة في Tw و Wr دون تغيير مجموعهما.

لك=تيw+دبليور{\displaystyle Lk=Tw+Wr}

يُطلق على Tw ، أو "الالتواء"، اسم عدد التواءات واتسون-كريك في الكروموسوم عندما لا يكون مقيدًا بالاستلقاء في مستوى واحد. وقد رأينا سابقًا أن الحمض النووي الطبيعي يكون عادةً حلزونيًا فائقًا. إذا قمنا بحساب عدد التواءات واتسون-كريك الثانوية حول الكروموسوم الملتف حلزونيًا فائقًا، فسيكون هذا العدد مختلفًا عن العدد المحسوب عندما يكون الكروموسوم مقيدًا بالاستلقاء بشكل مسطح. بشكل عام، يُتوقع أن يكون عدد الالتواءات الثانوية في الكروموسوم الطبيعي الملتف حلزونيًا فائقًا هو عدد التواءات واتسون-كريك "الطبيعي" ، أي التواء حلزوني واحد مكون من 10 أزواج قاعدية لكل 34 أنغستروم من طول الحمض النووي.

يُطلق على Wr ، أو "الالتواء"، عدد اللفات الحلزونية الفائقة. وبما أن الحمض النووي الدائري البيولوجي عادةً ما يكون أقل التفافًا، فإن Lk سيكون عمومًا أقل من Tw ، مما يعني أن Wr سيكون عادةً سالبًا.

إذا كان الحمض النووي ملتفًا بشكل غير كافٍ، فسيكون تحت ضغط، تمامًا كما يتم إجهاد الزنبرك المعدني عند فكه بقوة، وأن ظهور الالتواءات الفائقة سيسمح للكروموسوم بتخفيف الضغط عنه من خلال اتخاذ التواءات فائقة سلبية، والتي تصحح الالتفاف الثانوي غير الكافي وفقًا لمعادلة الطوبولوجيا المذكورة أعلاه.

تُظهر معادلة الطوبولوجيا وجود علاقة تناظرية بين التغيرات في Tw و Wr . على سبيل المثال، إذا تمت إزالة التواء "واتسون-كريك" الثانوي، فلا بد من إزالة التواء فائق يميني في الوقت نفسه (أو، إذا كان الكروموسوم في حالة استرخاء، بدون التواءات فائقة، فلا بد من إضافة التواء فائق يساري).

التغيير في رقم الربط، Δ Lk ، هو العدد الفعلي للدورات في البلازميد/الجزيء، Lk ، مطروحًا منه عدد الدورات في البلازميد/الجزيء المسترخي Lk o :

Δلك=لك-لكo{\displaystyle \Delta Lk=Lk-Lk_{o}}

إذا كان الحمض النووي ملتفًا بشكل فائق سلبيًا،Δلك<0{\displaystyle \Delta Lk<0}يشير الالتفاف الفائق السلبي إلى أن الحمض النووي غير ملتف بشكل كافٍ.

يُعد التعبير القياسي المستقل عن حجم الجزيء هو "فرق الربط المحدد" أو "الكثافة الحلزونية الفائقة" المشار إليها بـ σ ، والتي تمثل عدد اللفات المضافة أو التي تمت إزالتها بالنسبة إلى العدد الإجمالي للّفات في الجزيء/البلازميد المسترخي، مما يشير إلى مستوى الالتفاف الفائق.

σ=Δلك/لكo{\displaystyle \sigma =\Delta {Lk/Lk_{o}}}

يتم إعطاء طاقة جيبس ​​الحرة المرتبطة بالالتفاف بواسطة المعادلة أدناه [ 20 ]

Δجي/شمال=10Rتيσ2{\displaystyle {\Delta G/N=10RT\sigma ^{2}}}

يُقارب الفرق في طاقة جيبس ​​الحرة بين الحمض النووي الدائري فائق الالتفاف والحمض النووي الدائري غير الملتف مع N  > 2000 زوج قاعدي ما يلي: 

Δجي/شمال=700سعرات حرارية/بص*(Δلك/شمال){\displaystyle \Delta G/N=700\,{\text{Kcal}}/bp*(\Delta Lk/N)}

أو، 16 سعر حراري/نقطة ضغط.

بما أن عدد الالتفاف L في الحمض النووي فائق الالتفاف هو عدد مرات تشابك السلسلتين (مع بقاء كلتيهما مرتبطتين تساهميًا)، فإن L ثابت ولا يتغير. الحالة المرجعية (أو المعامل) L₀ لجزيء الحمض النووي الدائري المزدوج هي حالته المسترخية. في هذه الحالة، يكون التفافه W = 0. وبما أن L = T + W ، فإن T = L في الحالة المسترخية . بالتالي، إذا كان لدينا جزيء حمض نووي دائري مزدوج مسترخي بطول 400 زوج قاعدي، فإن L ≈ 40 (بافتراض وجود 10 أزواج قاعدية لكل لفة في الحمض النووي B). ومن ثم، فإن T ≈ 40 .

  • الالتفاف الفائق الإيجابي:
    إذا كانت T = 0 و W = 0، فإن L = 0
    T = +3، W = 0، إذن L = +3
    T = +2، W = +1، إذن L = +3
  • اللف الفائق السلبي:
    إذا كانت T = 0 و W = 0، فإن L = 0
    T = -3، W = 0، إذن L = -3
    T = -2، W = -1، إذن L = -3

تُسهّل اللفائف الفائقة السالبة عملية فكّ الالتفاف الموضعي للحمض النووي، مما يسمح بعمليات مثل النسخ ، وتضاعف الحمض النووي ، وإعادة التركيب . ويُعتقد أيضاً أن اللفائف الفائقة السالبة تُسهّل الانتقال بين الحمض النووي من النوع B والحمض النووي من النوع Z ، وتُعدّل تفاعلات البروتينات الرابطة للحمض النووي المشاركة في تنظيم الجينات . [ 21 ]

النماذج العشوائية

طُرحت بعض النماذج العشوائية لتفسير تأثيرات تراكم الالتفاف الفائق الموجب (PSB) في ديناميكيات التعبير الجيني (مثل التعبير الجيني البكتيري)، وتختلف هذه النماذج في مستوى التفصيل، على سبيل المثال. وبشكل عام، يزداد مستوى التفصيل عند إضافة العمليات المتأثرة بالالتفاف الفائق والمؤثرة عليه. ومع حدوث هذه الإضافة، يزداد تعقيد النموذج.

على سبيل المثال، في [ 22 ] تم اقتراح نموذجين مختلفين في التعقيد. في النموذج الأكثر تفصيلاً، تم نمذجة الأحداث على مستوى النيوكليوتيدات، بينما في النموذج الآخر تم نمذجة الأحداث على مستوى منطقة المحفز فقط، وبالتالي تطلب الأمر عددًا أقل بكثير من الأحداث التي يجب مراعاتها.

نموذج عشوائي بدائي النواة لديناميكيات إنتاج الحمض النووي الريبي وقفل النسخ في منطقة المحفز، بسبب PSB.

يمكن الاطلاع على أمثلة للنماذج العشوائية التي تركز على تأثيرات PSB على نشاط المحفز في المراجع [ 23 ] و[ 24 ] . بشكل عام، تتضمن هذه النماذج محفزًا (Pro)، وهو منطقة الحمض النووي التي تتحكم في عملية النسخ، وبالتالي يتأثر نشاطها/تثبيتها بـ PSB. كما تتضمن جزيئات الحمض النووي الريبوزي (ناتج النسخ)، وإنزيمات بوليميراز الحمض النووي الريبوزي (RNAP) التي تتحكم في النسخ، وإنزيمات الجيراز (G) التي تنظم PSB. أخيرًا، يلزم وجود وسيلة لتحديد كمية PSB على الحمض النووي (أي المحفز) في أي لحظة معينة. يمكن تحقيق ذلك من خلال وجود مكون في النظام يتم إنتاجه بمرور الوقت (مثلًا، أثناء عمليات النسخ) لتمثيل الالتفافات الفائقة الموجبة، ويتم إزالته بفعل إنزيمات الجيراز. يمكن بعد ذلك ضبط كمية هذا المكون للتأثير على معدل النسخ.

التأثيرات على معامل الترسيب

يوضح الشكل التغيرات التركيبية المختلفة التي تُلاحظ في الحمض النووي الدائري عند درجات حموضة مختلفة. عند درجة حموضة تبلغ حوالي 12 (قلوية)، يحدث انخفاض في معامل الترسيب، يليه ارتفاع مستمر حتى درجة حموضة تبلغ حوالي 13، وعندها يتحول التركيب إلى "الشكل الرابع" الغامض.

تتسم الخصائص الطوبولوجية للحمض النووي الدائري بالتعقيد. في المراجع القياسية، تُشرح هذه الخصائص دائمًا من خلال نموذج حلزوني للحمض النووي، ولكن في عام 2008 لوحظ أن كل متماثل طوبولوجي، سواء كان سالبًا أو موجبًا، يتخذ توزيعًا فريدًا وواسعًا بشكل مدهش من التكوينات ثلاثية الأبعاد. [ 4 ]

عند تحديد معامل الترسيب ، s ، للحمض النووي الدائري على نطاق واسع من الرقم الهيدروجيني ، تظهر المنحنيات التالية. ثلاثة منحنيات معروضة هنا، تمثل ثلاثة أنواع من الحمض النووي. من الأعلى إلى الأسفل هي: "النموذج الرابع" (أخضر)، "النموذج الأول" (أزرق)، و"النموذج الثاني" (أحمر).

"النمط الأول" (المنحنى الأزرق) هو التسمية التقليدية المستخدمة للشكل الطبيعي للحمض النووي الدائري المزدوج، كما هو مستخلص من الفيروسات والبلازميدات داخل الخلايا. يكون النمط الأول مغلقًا تساهميًا، وبالتالي فإن أي التفاف حلزوني قد يكون موجودًا يكون ثابتًا. إذا تم إدخال شق واحد أو أكثر في النمط الأول، يصبح الدوران الحر لأحد الشريطين بالنسبة للآخر ممكنًا، ويظهر النمط الثاني (المنحنى الأحمر).

الشكل الرابع (المنحنى الأخضر) هو نتاج التمسخ القلوي للشكل الأول. بنيته غير معروفة، باستثناء أنه مزدوج بشكل مستمر، وكثيف للغاية.

بين الرقم الهيدروجيني 7 و11.5، يكون معامل الترسيب (s ) للشكل الأول ثابتًا. ثم ينخفض، ويصل إلى أدنى قيمة له عند رقم هيدروجيني أقل بقليل من 12. ومع زيادة الرقم الهيدروجيني، يعود معامل الترسيب (s) إلى قيمته السابقة. لكنه لا يتوقف عند هذا الحد، بل يستمر في الارتفاع بثبات. عند الرقم الهيدروجيني 13، ترتفع قيمة معامل الترسيب ( s) إلى ما يقارب 50، أي ضعفين إلى ثلاثة أضعاف قيمته عند الرقم الهيدروجيني 7، مما يدل على بنية شديدة التراص.

إذا انخفض الرقم الهيدروجيني، فلن تعود قيمة s إلى وضعها الطبيعي. بدلاً من ذلك، يظهر المنحنى الأخضر العلوي. يبقى الحمض النووي، في الحالة المعروفة باسم الشكل الرابع، شديد الكثافة، حتى بعد إعادة الرقم الهيدروجيني إلى نطاقه الفيزيولوجي الأصلي. وكما ذُكر سابقًا، فإن بنية الشكل الرابع غير معروفة تقريبًا، ولا يوجد تفسير مقبول حاليًا لكثافته الاستثنائية. كل ما هو معروف عن بنيته الثلاثية هو أنه ثنائي الحلزون، ولكنه لا يحتوي على روابط هيدروجينية بين القواعد.

يُعزى سلوك الشكلين الأول والرابع إلى الخصائص الفريدة للحمض النووي المزدوج، الذي تم إغلاقه تساهميًا على شكل حلقة مزدوجة. إذا ما تعطلت هذه الروابط التساهمية ولو بشق واحد في أحد الخيوط، يتوقف هذا السلوك الطوبولوجي تمامًا، ويظهر منحنى الشكل الثاني السفلي ( Δ ). بالنسبة للشكل الثاني، يكون لتغيرات الرقم الهيدروجيني تأثير ضئيل جدًا على قيمة s . تتشابه خصائصه الفيزيائية، بشكل عام، مع خصائص الحمض النووي الخطي. عند الرقم الهيدروجيني 13، تنفصل خيوط الشكل الثاني ببساطة، تمامًا كما يحدث مع خيوط الحمض النووي الخطي. تختلف قيم s للخيوط المفردة المنفصلة اختلافًا طفيفًا ، لكنها لا تُظهر أي تغيرات ملحوظة في قيمة s مع زيادة الرقم الهيدروجيني.

إنّ تقديم شرحٍ كاملٍ لهذه البيانات يتجاوز نطاق هذه المقالة. باختصار، تحدث التغييرات في s نتيجةً لتغيراتٍ في الالتفاف الفائق للحمض النووي الدائري. هذه التغيرات في الالتفاف الفائق موضحةٌ تخطيطيًا بأربعة رسوماتٍ صغيرةٍ وُضعت بشكلٍ استراتيجيٍّ فوق الشكل أعلاه.

باختصار، يُعتقد على نطاق واسع أن التغيرات الملحوظة في منحنى معايرة الرقم الهيدروجيني أعلاه ناتجة عن تغيرات في الالتفاف الحلزوني الفائق للحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) في ظل ظروف زيادة الرقم الهيدروجيني. حتى الرقم الهيدروجيني 11.5، يُنتج ما يُسمى بـ"الالتفاف الناقص" التواءً فائقًا يمينيًا (سالبًا). ولكن مع ازدياد الرقم الهيدروجيني، وبدء البنية الحلزونية الثانوية في التفكك والانفكاك، فإن الكروموسوم (إذا جاز التعبير) لم يعد "يرغب" في الحصول على التفاف واتسون-كريك الكامل، بل "يرغب"، بشكل متزايد، في أن يكون "ملتفًا ناقصًا". ونظرًا لتناقص الإجهاد الذي يُخففه الالتفاف الحلزوني الفائق، فإن الحلزونات الفائقة تختفي تدريجيًا مع ازدياد الرقم الهيدروجيني. عند رقم هيدروجيني أقل بقليل من 12، يختفي كل حافز للالتفاف الفائق، ويظهر الكروموسوم على شكل دائرة مفتوحة ومسترخية.

عند ارتفاع درجة الحموضة، يميل الكروموسوم، الذي بدأ بالتفكك بشكل جدي، إلى التفكك الكامل، وهو ما لا يستطيع فعله (لأن L k مرتبط تساهميًا). في ظل هذه الظروف، ما كان يُعرف سابقًا باسم "التفاف ناقص" أصبح في الواقع "التفاف زائد". مرة أخرى، يظهر الإجهاد، ومرة ​​أخرى، يتم تخفيفه (جزئيًا على الأقل) بواسطة الالتفاف الفائق، ولكن هذه المرة في الاتجاه المعاكس ( أي، يساري أو "موجب"). كل التفاف فائق ثالثي يساري يزيل التفافًا ثانويًا واحدًا غير مرغوب فيه من نوع واتسون-كريك يميني.

تنتهي عملية المعايرة عند درجة حموضة 13، حيث يظهر الشكل الرابع.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ بار أ، كاباكجوغلو أ، موكاميل د (أكتوبر 2011). "تمسخ الحمض النووي الدائري: آلية الالتفاف الفائق". مجلة Physical Review E. 84 ( 4 الجزء 1) 041935. arXiv : 1108.5444 . Bibcode : 2011PhRvE..84d1935B . doi : 10.1103/physreve.84.041935 . PMID 22181203. S2CID 28666131 .  
  2. ↑ شامبو جيه جيه (2001). "إنزيمات توبويزوميراز الحمض النووي: التركيب والوظيفة والآلية". المراجعة السنوية للكيمياء الحيوية . 70 : 369-413 . doi : 10.1146/annurev.biochem.70.1.369 . PMID 11395412 . 
  3. 1 2 3 4 5 6 سينغر إي (5 يناير 2016). "كيف تُنظّم التواءات غريبة في الحمض النووي الحياة" . مجلة كوانتا . تم الاسترجاع في 7 يناير 2016 .
  4. 1 2 3 4 5 إيروبالييفا آر إن، فوج جيه ​​إم ، كاتانيز دي جيه، سوثيبوتبونغ تي، تشين إم، باركر إيه كيه، وآخرون . (أكتوبر 2015). "التنوع البنيوي للحمض النووي فائق الالتفاف" . نيتشر كوميونيكيشنز . 6 (8440) 8440. Bibcode : 2015NatCo...6.8440I . doi : 10.1038/ ncomms9440 . PMC 4608029. PMID 26455586 .   
  5. ↑ غانجي م، كيم ش هـ، فان دير توري ج، أبوندانزيري إ، ديكر س (يوليو 2016). "فحص التألق أحادي الجزيء القائم على التداخل لدراسة ديناميكيات الالتفاف الفائق للحمض النووي" . رسائل نانو . 16 (7): 4699-4707 . Bibcode : 2016NanoL..16.4699G . doi : 10.1021/acs.nanolett.6b02213 . PMID 27356180 . 
  6. ↑ كيم إس إتش، غانجي إم، كيم إي، فان دير توري جيه، أبوندانزيري إي، ديكر سي (ديسمبر 2018). لاوب إم تي، باركاي إن (محرران). " تسلسل الحمض النووي يشفر موضع اللفائف الفائقة للحمض النووي" . إي لايف . 7 e36557. doi : 10.7554/eLife.36557 . PMC 6301789. PMID 30523779 .  
  7. ↑ دورمان سي جيه (2026). "البادئ الميكروبي: الالتفاف الفائق للحمض النووي البكتيري" . علم الأحياء الدقيقة . 172 (2): 001667. doi : 10.1099/mic.0.001667 . ISSN 1465-2080 . PMC 12904600. PMID 41686857 .   
  8. ↑ كيمورا ك، هيرانو ت (أغسطس 1997). "الالتفاف الفائق الإيجابي للحمض النووي المعتمد على الأدينوسين ثلاثي الفوسفات بواسطة مكثف 13S: دلالة بيوكيميائية على تكثيف الكروموسوم" . الخلية . 90 (4): 625-634 . doi : 10.1016/s0092-8674(00)80524-3 . PMID 9288743 . 
  9. ↑ كيمورا ك، ريبينكوف ف ف، كريسونا ن ج، هيرانو ت، كوزاريلي ن ر (يوليو 1999). "يعيد بروتين تكثيف 13S تشكيل الحمض النووي بنشاط عن طريق إدخال التفاف إيجابي شامل: الآثار المترتبة على تكثيف الكروموسوم" . الخلية . 98 (2): 239-248 . doi : 10.1016/s0092-8674(00)81018-1 . PMID 10428035 . 
  10. ↑ راكو د، بينيديتي ف ، دورييه ج، ستاسياك أ (يناير 2019). "هل نطاقات TAD فائقة الالتفاف؟" . مجلة أبحاث الأحماض النووية . 47 (2): 521-532 . doi : 10.1093/nar/gky1091 . PMC 6344874. PMID 30395328 .  
  11. ↑ ألبرت إيه سي، سبيريتو إف، فيغيروا-بوسي إن، بوسي إل، رحموني إيه آر (أغسطس 1996). "يُقيَّد التفاف الحمض النووي القالب السالب للغاية أثناء نسخ جين مقاومة التتراسيكلين في طفرات topA بشكل كبير في الجسم الحي" . مجلة أبحاث الأحماض النووية . 24 (15): 3093-3099 . doi : 10.1093/nar/24.15.3093 . PMC 146055. PMID 8760899 .  
  12. ↑ شين، ب. أ.، ولانديك ، ر. (سبتمبر 2019). "نسخ الكروماتين البكتيري" . مجلة البيولوجيا الجزيئية . 431 (20): 4040-4066 . doi : 10.1016/j.jmb.2019.05.041 . PMC 7248592. PMID 31153903 .  
  13. ↑ ووكر إيه إم، أبوندانزيري إي إيه، ماير إيه إس (مايو 2024). " البقاء على قيد الحياة لمواجهة يوم آخر: النواة البكتيرية تحت الضغط" . علم الأحياء الدقيقة الجزيئي . 123 (2): 168-175 . doi : 10.1111/mmi.15272 . PMC 11527795. PMID 38690745 .  
  14. ^ شاهو إس، فتيورينا إن، داس إم، ماير إيه إس، غانجي إم، آبوندانزيري إي إيه (مايو 2024). "جسر اتصالات الحمض النووي يسمح لـ Dps من E. coli بتكثيف الحمض النووي" . أبحاث الأحماض النووية . 52 (8): 4456-4465 . دوى : 10.1093/nar/gkae223 . بمك 11077075 . بميد 38572752 .  
  15. 1 2 داش إس، بالما سي إس، بابتيستا آي إس، ألميدا بي إل، بحر الدين إم إن، تشوهان في، وآخرون . (أغسطس 2022). "تغيير التفاف الحمض النووي الفائق يعمل كمحفز لجينات الإشريكية القولونية المثبطة بالصدمة الباردة قصيرة المدى" . أبحاث الأحماض النووية . 50 (15): 8512-8528 . doi : 10.1093/nar/gkac643 . PMC 9410904. PMID 35920318 .   
  16. ↑ شيمادا ج، ياماكاوا هـ (1984). "احتمالات إغلاق الحلقة للسلاسل الدودية الملتوية. تطبيق على الحمض النووي". الجزيئات الكبيرة . 17 (4): 689-698 . Bibcode : 1984MaMol..17..689S . doi : 10.1021/ma00134a028 .
  17. ↑ إسيفاز-روليه ب، بوكلمان يو، هيسلوت ف (أكتوبر 1997). "الفصل الميكانيكي للخيوط المتكاملة للحمض النووي" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 94 (22): 11935-11940 . Bibcode : 1997PNAS...9411935E . doi : 10.1073/pnas.94.22.11935 . PMC 23661. PMID 9342340 .  
  18. ↑ لافيري ر، ليبرون أ، أليماند ج ف، بنسيمون د، كروكيت ف (2002). "بنية وميكانيكا الجزيئات الحيوية المفردة: التجربة والمحاكاة". مجلة الفيزياء: المادة المكثفة . 14 (14): R383– R414. Bibcode : 2002JPCM...14R.383L . doi : 10.1088/0953-8984/14/14/202 . S2CID 250870567 . 
  19. ↑ موروز، ج. د.، ونيلسون ، ب. (ديسمبر 1997). "المسارات الموجهة الالتوائية، والمرونة الإنتروبية، وصلابة التواء الحمض النووي" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 94 (26): 14418-14422 . arXiv : cond - mat/9708158 . Bibcode : 1997PNAS...9414418M . doi : 10.1073/pnas.94.26.14418 . PMC 25005. PMID 9405627 .  
  20. ^ Vologodskii AV، Lukashin AV، Anshelevich VV، Frank-Kamenetskii MD (مارس 1979). "التقلبات في الحمض النووي الفائق" . أبحاث الأحماض النووية . 6 (3): 967-982 . دوى : 10.1093/نار/6.3.967 . بمك 327745 . بميد 155809 .  
  21. ↑ تشاولا إتش إس (2002). مقدمة في التكنولوجيا الحيوية النباتية . دار النشر العلمية. رقم ISBN 978-1-57808-228-5.
  22. ↑ بالما سي إس، كاندفالي في، بحر الدين إم إن، مينويا إم، تشوهان في، داش إس، وآخرون . (مايو 2020). "تحليل ديناميكيات تثبيط النسخ في الجسم الحي نتيجة لتراكم الالتفاف الفائق الموجب" . بيوشيميكا وبيوفيزيكا أكتا (BBA) - آليات تنظيم الجينات . 1863 (5) 194515. doi : 10.1016/j.bbagrm.2020.194515 . PMID 32113983 .  
  23. ↑ تشونغ إس، تشين سي، جي إتش، شي إكس إس (يوليو 2014). " آلية الانفجار النسخي في البكتيريا" . الخلية . 158 (2): 314-326 . doi : 10.1016/j.cell.2014.05.038 . PMC 4105854. PMID 25036631 .  
  24. ↑ باتيستا، آي إس، وريبيرو، إيه إس (يونيو 2020). "نماذج عشوائية تربط بين التعبير الجيني والتقسيم في انقسام الخلايا في الإشريكية القولونية" . أنظمة بيولوجية . 193-194 104154. Bibcode : 2020BiSys.19304154B . doi : 10.1016/j.biosystems.2020.104154 . PMID 32353481 . 

للمزيد من القراءة

  • بلومفيلد، فيرجينيا، كروثرز، دي إم، تينوكو الابن، آي (2000). الأحماض النووية: تراكيبها وخصائصها ووظائفها . سوساليتو، كاليفورنيا: منشورات جامعة العلوم. الصفحات 446-453 . ISBN  978-0-935702-49-1.