РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ КРИВИЗНЫ ДНК
Основные представления о расчетных методах можно найти в обзоре "Гибкость двойной спирали и расположение нуклеосом на ДНК" ( Журкин, 1988 ), также в Munteanu et al, 1998 . В конце 90-х гг появились новые модели определения кривизны в ДНК За единицу в динуклеотидных моделях принимают 2 соседние комплементарные пары. Их всего 16 или точнее 10, если учесть нитевую симметрию (т.е. АА=ТТ). В тринуклеотидных моделях единицей считается триплет с центром посередине. Такие модели дают 64 или 32 различных единицы в зависимости от того, учитывается ли нитевая симметрия или нет. Ранее полагалось, что кривизна ДНК является следствием Аn (n=4-6) трактов, которые повторены в фазе по отношению к спиральному периоду. Первоначально 2 модели были предложены для объяснения этого явления. В моделях, учитывающих ближайших соседей, осевое отклонение последовательных динуклеотидов АА/ТТ, суммируется для получения изгиба ( Trifonov & Sussman,1980 ). В так называемой стыковочной модели (junction model) искривление происходит на стыке между модифицированной В'-ДНК структурой, состоящей из Аn трактов и соседней немодифицированной В-ДНК структурой ( Wu & Crothers,1984 ). В настоящее время статические модели учитывают динуклеотидную геометрию, полученную из прямых измерений, таких как рентгенокристаллография ( Olson et al, 1995 , Gorin et al, 1995 , El Hasan & Calladine, 1995 ), ЯМР-метод ( Ulyanov & James, 1995b ,из статистических данных по связыванию с нуклеосомами ( Goodsell & Dickerson, 1994 ), электрофоретический авнализ лигированных синтетических олигонуклеотидных повторов ( Bolshoy et al,1991 , De Santis et al, 1990 ). Был написан ряд программ для вычисления приблизительной траектории для любой последовательности ДНК ( De Santis et al,1990 , Shpigelman et al, 1993 ). Однако, выяснилось, что эти программы не предсказывают кривизну некоторых мотивов. Брукнер и др. рассчитали тринуклеотидные параматры гибкости, выясненные с использованием фермента ДНК-азы I ( Brukner et al, 1995 ). Этот белок, связываясь с малой бороздкой ДНК, изгибает ее в сторону большой бороздки. Эффективность рестрикции может быть использована для оценки способности ДНК изгибаться или быть изогнутой заранее (метод не позволяет различать эти две возможности). Определенные возможности для расчета кривизны ДНК имеются на сайте http://www2.icgeb.trieste.it/dna 6 примеров, моделирующих изгибы в ДНК представлены в Таблице I.1 Примеры а и б можно определить как модели, объясняющие результирующую кривизну внутри последовательности, несвязанную с А-трактами. Модели в,г представляют собой модели, зависящие от кривизны А-трактов, так как они объясняют результирующую кривизну сфазированных коротких А-трактов именно изгибами внутири самих Аn сегментов. Модель д (стыковочная модель "junction model") приписывает наблюдаемую кривизну изменению ориетации спиральной оси на стыках между А-трактами и остальной последовательностью.
(а) Параметры roll-tilt-twist получены из экспериметальных наблюдений преимущественной локализации тримеров в маленьких кольцах ДНК. ( Satchwell et al, 1986 ) изучали позиционирование последовательности ДНК в спиралях, охватывающих нуклеосомные коры и в малых кольцах ДНК. Они вычислили в процентных единицах предпочтение триплета располагаться на изогнутой поверхности вокруг белкового кора так, чтобы большая бороздка смотрела наружу. К примеру, если 45 % от всех GGC предпочтительно расположены так, что большая бороздка спирали ориентирована вовнутрь нуклеосомы и тем самым подвергнута сжатию за счет кривизны поверхности, то это создает положительный roll. Другой пример. 36% от общего числа триплетов AAA предпочитают противоположную ориентацию, т.е. большая бороздка смотрит в наружную сторону от изогнутой поверхности, а малая вовнутрь, и поэтому находится в сжатом состоянии (отрицательный roll).
Этим процентным предпочтениям были поставлены в соответствие спиральные углы следующим образом. Так как AA динуклеотид является неизогнутым в соответствии с кристаллографическими данными ( Nelson et al, 1987 ), тримеру AAA приписывают нулевой roll, тримеру GGC - максимальный roll в 10 градусов (одна из возможных оценок максимальных величин угла roll). Все прочие тримеры выстраиваются линейно в диапазоне 0 - 10 град в соответствии с их предпочтениями иметь положительный roll, выраженными в %. Twist угол был выбран равным 34.5 град для периода спирали 10.5 пар оснований на виток, tilt угол был выбран равным нулю. Предполагается для вычислений, что эти углы roll, tilt, twist соответствуют параметрам первого динуклеотида в тримере.
(б) Эта модель ( Calladine et al, 1988 ) создана для объяснения аномальной миграции в гелях для 25 протестированных последовательтностей, при этом учитывался факт отсутствия сколь-нибудь заметных углов наклона (roll и tilt) в кристаллографических структурах, содержащих А-тракты, например, в додекамере C-G-C-A-A-A-A-A-A-G-C-G ( Nelson et al, 1987 ). АА динуклеотиду были приписаны нулевой roll и tilt, и twist угол в 35град. Остальные динуклеотиды умеренно изогнуты , имея roll +3,3град, нулевой tilt и однородный twist в 34 град. ТА динуклеотиды являются аномальными и им приписан двойной roll в 6.6 град., как наблюдалось в нескольких кристаллографических структурах.
(в) В модели Bolshoi et al,1991 вычислены величины локальных углов roll, tilt и twist из данных по электрофоретической подвижности и олигонуклеотидной циклизации для массива в 54 различных олигонуклеотида ( Bolshoy et al, 1991 , Shpigelman et al,1993 ). Для обоснования расчетных моделей Трифонов и Сассман ( Trifonov E.N. & Sussman J.L. 1980 ) предположили, что АpA динуклеотид раскрывается как клин за счет комбинации углов tilt (угол наклона плоскостей соседних пар друг к другу относительно малой оси одной из пар) и roll (угол вращения плоскостей относительно друг друга вокруг их большой оси). В этой модели "клиньев" предполагается, что соседние динуклеотиды геометрически независимы, т.е. не учитывается влияние соседей. Эта модель имеет самые большие величины угла tilt и самые сильные отклонения от стандартного угла twist в 36град (от 28 град до 40 град). Информацию можно найти на сайте http://research.haifa.ac.il/~genom/Predictions.html
(г) Модель Cacchione et al, 1989 использует roll, tilt и twist величины для всех динуклеотидных шагов на основании конформационных энергетических расчетов ( Cacchione et al, 1989 , De Santis et al, 1990 ). Результаты вполне совместимы с данными по олигонуклеотидным кристаллам и неплохо согласуются с данными по электрофоретической подвижности 62 различных последовательностей.
(д) Модель Koo and Crothers ( Koo & Crothers,1988 ). Модель стыков была специально предложена для объяснения анамальной электрофоретической миграции в гелях. Заметные величины roll и tilt углов приписывались динуклетидам на каждом из концов А-трактам, состоящим из трех и более последовательных аденинов. В остальных случаях углы roll и tilt имели нулевое значение. При этом считалось,что ТА динуклеотид в середине Аn разрывает тракт, а АТ динуклеотид - нет. Везде одинаковый угол twist соответствует 10.5 пар оснований на виток.
В Таблице I.2 для определения гибкости ДНК приведены несколько систем параметров для тринуклеотидов (тримеров), вычисленных по данным об эффективности расщепления полинуклеотидных фрагментов ферментом ДНКазойI (первая колонка цифр), по ориентационному предпочтению по отношению к белковому core'у при формированию нуклеосом (вторая колонка цифр) и усредненный вариант первых двух систем (третья колонка). Численные данные приведены в произвольных единицах. Для сравнения этих произвольных величин и величин, выраженных в углах можно использовать модель (а) из Таблицы I.1.
Смотрите также:
