Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Тармақталған нуклеин қышқылы құрылымы
Branched nucleic acid structure
Холлидей түйісуі – төрт екі тізбекті қолдардың бірігіп түзілген тармақталған нуклеин қышқылы құрылымы. Бұл қолдар буферлік тұз концентрациясына және түйіске ең жақын нуклеобазалардың тізбегіне байланысты бірнеше конформациялардың біреуін қабылдауы мүмкін. Құрылымды 1964 жылы оның бар екендігін ұсынған молекулалық биолог Робин Холлидейдің есімімен атаған. Биологияда Холлидей түйісулері генетикалық рекомбинацияның көптеген түрлерінде, сондай-ақ екі тізбектің үзілуін жөндеуде маңызды аралық болып табылады. Бұл түйісулер әдетте симметриялық тізбекке ие және жылдамды, яғни төрт жеке қол түйісу арқылы негізді жұптастыруды сақтайтын белгілі бір үлгіде жылжуы мүмкін. Сонымен қатар, кейбір функционалдық РНК молекулаларында Холлидей түйісуіне ұқсас төрт қолды түйісулер кездеседі. Белгілі бір позицияда тізбектерді бекітіп тұратын асимметриялық тізбегі бар жылжылмайтын Холлидей түйісулері ғалымдар тарапынан олардың құрылымын зерттеу үшін табиғи Холлидей түйісулерінің моделі ретінде жасалды. Бұл түйісулер кейіннен ДНК нанотехнологиясында негізгі құрылымдық элементтер ретінде қолданылды, онда бірнеше Холлидей түйісулері молекулаларды жоғары деңгейдегі құрылымдық беріктікпен қамтамасыз ететін арнайы жобаланған геометрияларға біріктірілуі мүмкін.
A Holliday junction is a branched nucleic acid structure that contains four double stranded arms joined. These arms may adopt one of several conformations depending on buffer salt concentrations and the sequence of nucleobases closest to the junction. The structure is named after Robin Holliday, the molecular biologist who proposed its existence in 1964. In biology, Holliday junctions are a key intermediate in many types of genetic recombination, as well as in double strand break repair. These junctions usually have a symmetrical sequence and are thus mobile, meaning that the four individual arms may slide through the junction in a specific pattern that largely preserves base pairing. Additionally, four arm junctions similar to Holliday junctions appear in some functional RNA molecules. Immobile Holliday junctions, with asymmetrical sequences that lock the strands in a specific position, were artificially created by scientists to study their structure as a model for natural Holliday junctions. These junctions also later found use as basic structural building blocks in DNA nanotechnology, where multiple Holliday junctions can be combined into specific designed geometries that provide molecules with a high degree of structural rigidity.
Құрылымы
Холлидейлік түйісулер төрт қос спиральді қолдың арасында коаксиалдық үйілудің әртүрлі үлгілері бар конформациялық изомерлердің әртүрлі түрінде болуы мүмкін. Коаксиалдық үйілу – нуклеин қышқылының ашық негіздер арасындағы өзара әрекеттесу арқылы бір-бірімен байланысуға бейімділігі. Үш конформер болуы мүмкін: үйілмеген (немесе ашық Х) формасы және екі үйілген формасы. Mg2+ сияқты еківалентті катиондар болмаған жағдайда үйілмеген формасы басым, себебі жіптердің теріс зарядталған арқалықтары арасындағы электростатикалық тебіліс болады. Кем дегенде 0,1 мМ Mg2+ бар болса, электростатикалық тебіліс тежеліп, үйілген құрылымдар басым болады. 2000 жылға дейін электростатикалық қалқандаудың катиондардың түйіске нақты байланысуынан немесе ерітіндідегі иондардың тараған жиынтығынан туындағаны белгісіз болды. Үйілмеген форма – шамамен төртбұрышты, жазық, созылған конформация. Ал үйілген конформерлерде оң жақ бағытта шамамен 60° бұрышпен бөлінген екі үздіксіз қос спиральді домен болады. Төрт жіптің екеуі шамамен спиральді күйінде қалып, екі қос спиральді доменнің әрқайсысында орналасады, ал қалған екеуі екі домен арасында антипараллельді түрде өтеді. Төрт қолды түйісулер U1 спалисосомалық РНК және темекі мозаикалық вирусының шаштырмалы рибозимі сияқты функционалдық РНК молекулаларында да кездеседі, бірақ олар әдетте жұптасқан қос спиральді домендер арасында жұптаспаған нуклеотидтерді қамтиды, сондықтан Холлидей құрылымын қатаң түрде қабылдамайды. Көптеген ақуыздар Холлидей түйіспе құрылымын таниды немесе өзгертеді. Олардың бірі – түйіспелерді кесіп, кейде белгілі бір реттілік бойынша бөліп шығаратын түйіспелерді ажырататын ферменттер. Мұндай ақуыздар түйіспе құрылымын әртүрлі жолдармен өзгертеді, көбінесе түйіспеге үйілмеген конформацияны таңдап, орталық негіз жұптарын бұзып және/немесе төрт қол арасындағы бұрышты өзгертеді. Басқалары – алмасу жылдамдығын едәуір арттыратын тармақтық көшіру ақуыздары және сайтқа тән рекомбинациялар. Екі жіптің үзілуі кезінде 3' ұшы ыдырайды, ал ұзын 5' ұшы жалғасқан бауырлас хроматидке еніп, репликация көпіршігін құрайды. Бұл көпіршік үзілген ДНК-ға жақындағанда, 5' ұзындығындағы антисенс жіп ДНК-ның осы бөлігінің сезімді жіпіне қайтадан еніп, екінші көшірмесін жасайды. Репликация аяқталғаннан кейін екі ұш та екі Холлидей түйіспесін құру үшін қайта қосылады, содан кейін олар ақуыздармен әртүрлі үлгілерде кесіледі. Бұл процестің анимациясын мына жерден көруге болады. Бактериядағы екі жіпті ДНК үзілістері гомологтық рекомбинацияның RecBCD жолы арқылы жөнделеді. Бір жіптік саңылау деп аталатын екі ДНК жіптерінің тек біреуінде пайда болатын үзілістер RecF жолымен жөнделеді деп есептеледі. RecBCD және RecF жолдарының екеуінде де тармақтық көші-қон деп аталатын бірнеше реакциялар бар, онда екі қиылысқан ДНК молекулалары арасында бір ДНК жіптері алмастырылады, және шешілу, онда екі қиылысқан ДНК молекулалары бөлініп, қалыпты қос жіпті күйіне қайта оралады. Гомологтық рекомбинация бірнеше вирус топтарында кездеседі. Герпес вирусы сияқты ДНК вирустарында рекомбинация бактериялар мен эукариоттардағыдай үзіліс және қайта қосылу механизмі арқылы жүреді. Бактерияларда тармақтық көшіруге RuvABC кешені немесе RecG ақуызы ықпал етеді, бұл ATP гидролизінің энергиясын пайдаланып түйіспеге қозғалыс беретін молекулалық моторлар. Содан кейін түйіспе екі бөлек дуплекске бөлініп, ата-аналық конфигурацияны немесе қиылысқан конфигурацияны қалпына келтіру керек. Резолюция гомологтық рекомбинация кезінде көлденең немесе тік бағытта жүруі мүмкін, нәтижесінде жапсырма өнімдері (егер қос жіптің үзілуі кезінде бірдей бағыт болса) немесе шплиц өнімдері (егер қос жіптің үзілуі кезінде әртүрлі бағыттар болса) пайда болады. RuvA және RuvB – тармақтық көшіру ақуыздары, ал RuvC – түйіспелерді ажырататын фермент.
Holliday junctions may exist in a variety of conformational isomers with different patterns of coaxial stacking between the four double helical arms. Coaxial stacking is the tendency of nucleic acid blunt ends to bind to each other, by interactions between the exposed bases. There are three possible conformers: an unstacked (or open X) form and two stacked forms. The unstacked form dominates in the absence of divalent cations such as Mg2+, because of electrostatic repulsion between the negatively charged backbones of the strands. In the presence of at least about 0.1 mM Mg2+, the electrostatic repulsion is counteracted and the stacked structures predominate. As of 2000, it was not known with certainty whether the electrostatic shielding was the result of site specific binding of cations to the junction, or the presence of a diffuse collection of the ions in solution. The unstacked form is a nearly square planar, extended conformation. On the other hand, the stacked conformers have two continuous double helical domains separated by an angle of about 60° in a right handed direction. Two of the four strands stay roughly helical, remaining within each of the two double helical domains, while the other two cross between the two domains in an antiparallel fashion. While four arm junctions also appear in functional RNA molecules, such as U1 spliceosomal RNA and the hairpin ribozyme of the tobacco ringspot virus, these usually contain unpaired nucleotides in between the paired double helical domains, and thus do not strictly adopt the Holliday structure. Many proteins are able to recognize or distort the Holliday junction structure. One such class contains junction resolving enzymes that cleave the junctions, sometimes in a sequence specific fashion. Such proteins distort the structure of the junction in various ways, often pulling the junction into an unstacked conformation, breaking the central base pairs, and/or changing the angles between the four arms. Other classes are branch migration proteins that increase the exchange rate by orders of magnitude, and site specific recombinases. In the case of double strand breakage, the 3' end is degraded and the longer 5' end invades the contiguous sister chromatid, forming a replication bubble. As this bubble nears the broken DNA, the longer 5' antisense strand again invades the sense strand of this portion of DNA, transcribing a second copy. When replication ends, both tails are reconnected to form two Holliday Junctions, which are then cleaved in a variety of patterns by proteins. An animation of this process can be seen here. Double strand DNA breaks in bacteria are repaired by the RecBCD pathway of homologous recombination. Breaks that occur on only one of the two DNA strands, known as single strand gaps, are thought to be repaired by the RecF pathway. Both the RecBCD and RecF pathways include a series of reactions known as branch migration, in which single DNA strands are exchanged between two intercrossed molecules of duplex DNA, and resolution, in which those two intercrossed molecules of DNA are cut apart and restored to their normal double stranded state. Homologous recombination occurs in several groups of viruses. In DNA viruses such as herpesvirus, recombination occurs through a break and rejoin mechanism like in bacteria and eukaryotes. In bacteria, branch migration is facilitated by the RuvABC complex or RecG protein, molecular motors that use the energy of ATP hydrolysis to move the junction. The junction must then be resolved into two separate duplexes, restoring either the parental configuration or a crossed over configuration. Resolution can occur in either a horizontal or vertical fashion during homologous recombination, giving patch products (if in same orientation during double strand break repair) or splice products (if in different orientations during double strand break repair). RuvA and RuvB are branch migration proteins, while RuvC is a junction resolving enzyme.
Қаулы
Saccharomyces cerevisiae ашытқысындағы жас бүршіктерде Холлидей түйіспелері төрт түрлі жолмен шешілуі мүмкін, бұл жолдар тірі организмде (in vivo) Холлидей түйіспелерінің шешілуіне жауап береді. S. cerevisiae ашытқысында және, мүмкін, сүтқоректілерде кроссоверлердің көпшілігін тудыратын жол EXO1, MLH1-MLH3 гетеродимері (MutL гамма деп аталады) және SGS1 (Блум синдромының геликазасының гомологы) ақуыздарын қамтиды. Бұл эндонуклеаза суперспиральденген екі тізбекті ДНК-да бір тізбекті үзілістер жасайды. MLH1-MLH3 гетеродимері кроссоверлік рекомбинациялардың пайда болуын ынталандырады. MUS81, MMS4, SLX1 және YEN1 ақуыздарын қамтитын қалған үш жол Холлидей түйіспелерін тірі организмде (in vivo) ынталандыра алады, бірақ үш нуклеазаның жоқтығы кроссоверлік өнімдердің пайда болуына аз ғана әсер етеді. MLH3 (басты жол) және MMS4 (қосалқы жол) бойынша екі гені де жойылған қос мутанттар, жабайы типке қарағанда (6-17 есе) кроссоверлердің айтарлықтай азаюын көрсетті; алайда, споралардың тірі қалу деңгейі жоғары болды (62%) және хромосомалық айырылу көбінесе функционалды болып көрінді. Tetrahymena thermophila протозонында MUS81 кроссовердің маңызды, тіпті басты жолының бөлігі болып көрінеді. Saccharomyces cerevisiae ашытқысында MSH4 және MSH5 мейоз кезінде гомологты хромосомалар арасында кроссоверлерді жеңілдету үшін арнайы жұмыс істейді. Дегенмен, бұл мутант споралардың тірі қалу үлгілерін көрсетті, бұл алмаспайтын хромосомалардың тиімді бөлінуін көрсетеді. Осылайша, S. cerevisiae-да дұрыс бөліну гомологты жұптар арасындағы кроссоверлерге толық тәуелді емес.
In budding yeast Saccharomyces cerevisiae, Holliday junctions can be resolved by four different pathways that account for essentially all Holliday junction resolution in vivo. The pathway that produces the majority of crossovers in S. cerevisiae budding yeast, and possibly in mammals, involves proteins EXO1, MLH1 MLH3 heterodimer (called MutL gamma) and SGS1 (ortholog of Bloom syndrome helicase). It is an endonuclease that makes single strand breaks in supercoiled double stranded DNA. The MLH1 MLH3 heterodimer promotes the formation of crossover recombinants. While the other three pathways, involving proteins MUS81 MMS4, SLX1 and YEN1, respectively, can promote Holliday junction resolution in vivo, absence of all three nucleases has only a modest impact on formation of crossover products. Double mutants deleted for both MLH3 (major pathway) and MMS4 (minor pathway) showed dramatically reduced crossing over compared to wild type (6 to 17 fold); however spore viability was reasonably high (62%) and chromosomal disjunction appeared mostly functional. in the protozoan Tetrahymena thermophila, MUS81 appears to be part of an essential, if not the predominant crossover pathway. In the yeast Saccharomyces cerevisiae MSH4 and MSH5 act specifically to facilitate crossovers between homologous chromosomes during meiosis. Nevertheless, this mutant gave rise to spore viability patterns suggesting that segregation of non exchange chromosomes occurred efficiently. Thus in S. cerevisiae proper segregation apparently does not entirely depend on crossovers between homologous pairs.
ДНК нанотехнологиясында қолдану
ДНҚ нанотехнологиясы – тірі жасушалардағы генетикалық ақпаратты тасымалдаушы ретінде емес, нанотехнология үшін инженерлік материалдар ретінде жасанды нуклеин қышқылы құрылымдарын жобалау және өндіру саласы. Бұл салада бұтақталған ДНК құрылымдары күрделі, рационалды жобаланған құрылымдарды құру үшін негізгі құрамдас бөліктер ретінде қолданылады. Холлидей түйіспелері мұндай ДНК құрылымдарының көптеген түрлерінің құрамдас бөліктері болып табылады. Оқшауланған Холлидей түйіспе кешендері үлкен, реттелген массивтерге жиналуға тым икемді болғандықтан, бірнеше Холлидей түйіспелерін қамтитын құрылымдық мотивтер қатаң "плиткаларды" құру үшін қолданылады, олар кейін үлкен "массивтерге" жинала алады. Мұндай мотивтердің ең көп таралғаны – екі Холлидей түйіспесі бір-біріне жақын орналасқан қос кроссовер (DX) кешені, ол үлкен массивтерді өздігінен құрастыруға мүмкіндік беретін қатаң құрылымды қамтиды. DX молекуласының құрылымы Холлидей түйіспелерін екі спиральді домендері тікелей қарама-қарсы орналасуға мәжбүр етеді, бұл олардың 60 градусқа жуық қалыпты бұрышынан өзгеше. Кешен түйіспелерді параллель немесе антипараллель бағытта орналастыруға жобалануы мүмкін, бірақ практикада антипараллель түрлері жақсырақ жұмыс істейді, ал параллель нұсқасы сирек қолданылады. Холлидей түйіспесінің 60 градустық бұрышын сақтайтын плитка түрлері де көрсетілген. Мұндай массивтердің бірі төрт Холлидей түйіспесін параллелограмм тәрізді орналастырған плиткаларды қолданады. Бұл құрылымның артықшылығы – түйіспе бұрышын атомдық күш микроскопиясы арқылы тікелей визуализациялауға мүмкіндік беруі. Үш Холлидей түйіспесін үшбұрышты орналастырған плиткалар биомолекулалардың рентгендік кристаллографиясы үшін пайдалануға болатын мерзімді үш өлшемді массивлер жасау үшін қолданылды. Бұл құрылымдар тенсегриттік принципіне негізделген құрылымдық бірліктерге ұқсас болғандықтан осылай аталады, ол кернеу мен сығылуға төтеп беретін элементтерді пайдаланады. Жаңа жіп әр түрлі аталық жіптердің бөліктерінен тікелей синтезделеді. Гомологтық рекомбинация үшін Холлидейдің бастапқы моделінде, әр аталық ДНК-ның бір жіпіндегі бірдей нүктеде бір жіпті үзілістер пайда болады. Бұзылған әр жіптің бос ұштары екінші ДНК спираліне көшеді, онда еніп келген жіптер кездесетін бос ұштарымен қосылады, нәтижесінде Холлидей түйіспесі пайда болады. Әр кроссоверлік жіп өзінің бастапқы серіктес жіпіне қайта қосылғанда, ол алдындағы бастапқы толықтырылған жіпті ығыстырады. Бұл Холлидей түйіспесінің жылжуына және гетеродуплекс сегменттерінің пайда болуына әкеледі. Қай жіп екіншісін жөндеу үшін шаблон ретінде қолданылғандығына байланысты, мейоз нәтижесінде пайда болған төрт жасушада бір аллельдің үш көшірмесі және екіншісінің тек біреуі болуы мүмкін, бұл қалыпты жағдайда әрқайсысының екі көшірмесінен өзгеше, және бұл гендік конверсия деп аталады. Бастапқыда генетиктер түйіспе параллель емес, антипараллель конформацияны қабылдайды деп есептеді, өйткені бұл гомологты дуплекстерді бір-біріне жақын орналастырады. Ол кезде ДНК репликациясының жіті қанаты және жылжымалы Холлидей түйіспесі сияқты бірнеше табиғи бұтақталған ДНК құрылымдары белгілі болды, бірақ Сименнің түсінігі бойынша, жиналған молекуладағы симметрияны жою үшін жіп тізбектерін дұрыс жобалау арқылы жылжымайтын нуклеин қышқылы түйіспелерін жасауға болады, және бұл жылжымайтын түйіспелерді қағида бойынша қатты кристалдық торларға біріктіруге болады. Бұл схеманы ұсынған алғашқы теориялық жұмыс 1982 жылы жарияланды, ал келесі жылы қозғалмайтын ДНҚ түйініне қатысты алғашқы тәжірибелік дәлелдер жарияланды. Симен екі өлшемді торларды құруға жарамды, қатты қос кроссовер (DX) мотивін әзірледі, оны 1998 жылы өзі және Эрик Уинфри көрсетті. Үш өлшемді тордың синтезі Симен 2009 жылы жариялады, бұл мақсатқа қол жеткізгеннен кейін шамамен отыз жыл өткен соң.
DNA nanotechnology is the design and manufacture of artificial nucleic acid structures as engineering materials for nanotechnology rather than as the carriers of genetic information in living cells. The field uses branched DNA structures as fundamental components to create more complex, rationally designed structures. Holliday junctions are thus components of many such DNA structures. As isolated Holliday junction complexes are too flexible to assemble into large ordered arrays, structural motifs with multiple Holliday junctions are used to create rigid "tiles" that can then assemble into larger "arrays". The most common such motif is the double crossover (DX) complex, which contains two Holliday junctions in close proximity to each other, resulting in a rigid structure that can self assemble into larger arrays. The structure of the DX molecule forces the Holliday junctions to adopt a conformation with the double helical domains directly side by side, in contrast to their preferred angle of about 60°. The complex can be designed to force the junctions into either a parallel or antiparallel orientation, but in practice the antiparallel variety are more well behaved, and the parallel version is rarely used. Some tile types that retain the Holliday junction's native 60° angle have been demonstrated. One such array uses tiles containing four Holliday junctions in a parallelogram arrangement. This structure had the benefit of allowing the junction angle to be directly visualized via atomic force microscopy. Tiles of three Holliday junctions in a triangular fashion have been used to make periodic three dimensional arrays for use in X ray crystallography of biomolecules. These structures are named for their similarity to structural units based on the principle of tensegrity, which utilizes members both in tension and compression. where the new strand is synthesized directly from parts of the different parent strands. In the original Holliday model for homologous recombination, single strand breaks occur at the same point on one strand of each parental DNA. Free ends of each broken strand then migrate across to the other DNA helix. There, the invading strands are joined to the free ends they encounter, resulting in the Holliday junction. As each crossover strand reanneals to its original partner strand, it displaces the original complementary strand ahead of it. This causes the Holliday junction to migrate, creating the heteroduplex segments. Depending on which strand was used as a template to repair the other, the four cells resulting from meiosis might end up with three copies of one allele and only one of the other, instead of the normal two of each, a property known as gene conversion. Initially, geneticists assumed that the junction would adopt a parallel rather than antiparallel conformation, because that would place the homologous duplexes in closer alignment to each other. A number of natural branched DNA structures were known at the time, including the DNA replication fork and the mobile Holliday junction, but Seeman's insight was that immobile nucleic acid junctions could be created by properly designing the strand sequences to remove symmetry in the assembled molecule, and that these immobile junctions could in principle be combined into rigid crystalline lattices. The first theoretical paper proposing this scheme was published in 1982, and the first experimental demonstration of an immobile DNA junction was published the following year. Seeman developed the more rigid double crossover (DX) motif, suitable for forming two dimensional lattices, demonstrated in 1998 by him and Erik Winfree. The synthesis of a three dimensional lattice was finally published by Seeman in 2009, nearly thirty years after he had set out to achieve it.