Основы молекулярной биологии. Часть 2: Молекулярные генетические механизмы - А.Н. Огурцов 2011

Основные молекулярные генетические механизмы
Сверхспирализация ДНК

Многие ДНК прокариот являются кольцевыми (циклическими). Кольцевые ДНК также наблюдаются в митохондриях и хлоропластах эукариот.

Каждая из двух цепей кольцевой молекулы ДНК образует замкнутую цепь без свободных концов.

Локальное расплетание двойной спирали ДНК, которое происходит в ходе репликации ДНК, индуцирует торсионное напряжение в оставшейся части молекулы, поскольку в ней отсутствуют свободные концы, которые могли бы, свободно вращаясь, снять напряжение.

В результате кольцевая молекула скручивается, принимая сверхспиральную форму (supercoil) (рисунок 5(a)). Другими словами, когда часть ДНК расплетена, другая часть оказывается сверхспирализована.

Фермент топоизомераза I, который содержится в клетках, снимает подобные напряжения, которые возникают в кольцевых ДНК при репликации или других процессах.

Топоизомераза I связывается с ДНК, разрезает одну из фосфодиэфирных связей (что позволяет сверхспирализованной "скрученной" молекуле "раскрутиться"), восстанавливая релаксированную кольцевую форму (рисунок 5(6)), а затем "сшивает" разорванную цепь.

Другой фермент топоизомераза II (другое название, ДНК-гираза), разрезает сразу две цепи кольцевой ДНК, а затем восстанавливает их. В результате топоизомераза II может как удалять сверхспирализацию, так и объединять две пересекающиеся кольцевые ДНК в одну в точке их пересечения.

Рисунок 5 - Кольцевые ДНК: а - сверхспирализованная кольцевая ковалентно замкнутая ДНК; б - релаксация кольцевой ДНК при разрезании одной из нитей топоизомеразой I, которая затем восстанавливает замкнутость нити

С функциональной точки зрения важно, что сверхспирализованная ДНК обладает значительным запасом энергии по сравнению с её релаксированной формой. Этот запас энергии является "сигналом" для связывания с ней некоторых белков (например, топоизомераз).

Хотя ДНК эукариот не имеет кольцевой формы, но при конденсации ДНК в хромосому происходит образование петель и спирализация хроматина. Поэтому в процессе деконденсации хроматина, репликации и транскрипции ДНК также происходит образование торсионных напряжений и образования сверхспиралей. Наличие топоизомеразы I в ядре эукариот позволяет устранять такие торсионные напряжения.