Zwei komplementäre Bereiche von Nukleinsäuremolekülen binden sich und bilden eine Doppelhelixstruktur, die durch Basenpaare zusammengehalten wird .

In der Molekularbiologie bezeichnet die Doppelhelix [ 1 ] die Struktur doppelsträngiger Nukleinsäuremoleküle wie der DNA . Die Doppelhelixstruktur eines Nukleinsäurekomplexes entsteht durch seine Sekundärstruktur und ist ein grundlegender Bestandteil bei der Bestimmung seiner Tertiärstruktur .

Die DAN-Doppelhelix, ein Biopolymer aus Nukleinsäuren, wird durch Basenpaare zwischen Nukleotiden zusammengehalten . [ 2 ] In der B-DNA, der häufigsten Doppelhelixstruktur in der Natur, ist die Doppelhelix rechtsgängig und weist etwa 10–10,5 Basenpaare pro Windung auf. [ 3 ] Die Doppelhelixstruktur der DNA besitzt eine große und eine kleine Furche . In der B-DNA ist die große Furche breiter als die kleine. [ 2 ] Aufgrund dieses Unterschieds in der Breite der großen und kleinen Furche binden viele Proteine ​​an die B-DNA über die breitere große Furche. [ 4 ]

Die Doppelhelixstruktur der DNA wurde erstmals von James Watson und Francis Crick vorgeschlagen , basierend auf den Arbeiten von Rosalind Franklin , Raymond Gosling , Maurice Wilkins und anderen. [ 5 ] Der Begriff „Doppelhelix“ hielt mit der Veröffentlichung von Watsons Buch „Die Doppelhelix: Ein persönlicher Bericht über die Entdeckung der Struktur der DNA“ im Jahr 1968 Einzug in die Populärkultur .

Geschichte

Das Doppelhelix-Modell der DNA- Struktur wurde 1953 von James Watson und Francis Crick in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht [ 6 ] (X,Y,Z-Koordinaten folgten 1954 [ 7 ] ). Es basierte auf den Arbeiten von Rosalind Franklin und ihrem Schüler Raymond Gosling , die die entscheidende Röntgenbeugungsaufnahme der DNA mit der Bezeichnung „ Foto 51 “ anfertigten [8, 9 ] , sowie auf den Beiträgen von Maurice Wilkins, Alexander Stokes und Herbert Wilson [10] und den chemischen und biochemischen Informationen zur Basenpaarung von Erwin Chargaff [11–16 ] . Zuvor hatten Linus Pauling – der die Konformation von Sekundärstrukturmotiven von Proteinen bereits präzise charakterisiert hatte – und sein Mitarbeiter Robert Corey fälschlicherweise angenommen , dass die DNA eine dreisträngige Konformation einnimmt [ 17 ] .

Die Erkenntnis, dass die DNA eine Doppelhelixstruktur besitzt, klärte den Mechanismus der Basenpaarung auf , durch den genetische Informationen in lebenden Organismen gespeichert und kopiert werden, und gilt weithin als eine der wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen des 20. Jahrhunderts. Crick, Wilkins und Watson erhielten jeweils ein Drittel des Nobelpreises für Physiologie oder Medizin von 1962 für ihre Beiträge zu dieser Entdeckung. [ 18 ]

Nukleinsäurehybridisierung

Hybridisierung ist der Prozess, bei dem sich komplementäre Basenpaare zu einer Doppelhelix verbinden. Das Aufschmelzen ist der Prozess, bei dem die Wechselwirkungen zwischen den Strängen der Doppelhelix gelöst werden und sich die beiden Nukleinsäurestränge trennen. Diese Bindungen sind schwach und lassen sich leicht durch leichtes Erhitzen, Enzyme oder mechanische Einwirkung lösen. Das Aufschmelzen erfolgt bevorzugt an bestimmten Stellen der Nukleinsäure. [ 19 ] T- und A- reiche Bereiche schmelzen leichter als C- und G- reiche Bereiche. Einige Basenpaare, wie z. B. TA und TG , sind ebenfalls anfällig für das Aufschmelzen der DNA. [ 20 ] Diese mechanischen Eigenschaften spiegeln sich in der Verwendung von Sequenzen wie TATA am Anfang vieler Gene wider, die die RNA-Polymerase beim Aufschmelzen der DNA für die Transkription unterstützen. [ 21 ]

Die Strangtrennung durch schonendes Erhitzen, wie sie in der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) angewendet wird, ist einfach, sofern die Moleküle weniger als etwa 10.000 Basenpaare (10 Kilobasenpaare oder 10 kbp) aufweisen. Die Verdrillung der DNA-Stränge erschwert die Trennung langer Abschnitte. [ 22 ] Die Zelle umgeht dieses Problem, indem sie ihren DNA-schmelzenden Enzymen ( Helikasen ) ermöglicht, gleichzeitig mit Topoisomerasen zu arbeiten . Diese können das Phosphatrückgrat eines der Stränge chemisch spalten, sodass dieser sich um den anderen drehen kann. [ 23 ] Helikasen entwinden die Stränge, um das Vorrücken von sequenzlesenden Enzymen wie der DNA-Polymerase zu erleichtern . [ 24 ]

Basenpaargeometrie

Geometrien der Basenpaare

Die Geometrie einer Base oder eines Basenpaar-Schritts lässt sich durch sechs Koordinaten charakterisieren: Verschiebung, Gleiten, Anheben, Neigen, Rollen und Verdrehen. Diese Werte definieren präzise die Position und Orientierung jeder Base oder jedes Basenpaars in einem Nukleinsäuremolekül relativ zu seiner Vorgängerbase entlang der Helixachse. Zusammen charakterisieren sie die Helixstruktur des Moleküls. In Bereichen der DNA oder RNA, in denen die normale Struktur gestört ist, kann die Veränderung dieser Werte zur Beschreibung dieser Störung herangezogen werden.

Für jedes Basenpaar, das im Verhältnis zu seinem Vorgänger betrachtet wird, sind die folgenden Basenpaargeometrien zu berücksichtigen: [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]

  • Scheren
  • Strecken
  • Staffeln
  • Schnalle
  • Propeller : Drehung einer Basis relativ zur anderen innerhalb desselben Basispaares.
  • Öffnung
  • Verschiebung : Verschiebung entlang einer Achse in der Basenpaarebene senkrecht zur ersten, gerichtet von der kleinen zur großen Rille.
  • Gleiten : Verschiebung entlang einer Achse in der Ebene des Basenpaares, gerichtet von einem Strang zum anderen.
  • Anstieg : Verschiebung entlang der Helixachse.
  • Neigung : Drehung um die Verschiebungsachse.
  • Rollen : Drehung um die Gleitachse.
  • Drehung : Rotation um die Aufstiegsachse.
  • X-Verschiebung
  • Y-Verschiebung
  • Neigung
  • Tipp
  • Steigung : die Höhe pro vollständiger Windung der Helix.

Steigung und Drehung bestimmen die Chiralität und Steigung der Helix. Die anderen Koordinaten können hingegen null sein. Gleiten und Verschieben sind in der B-DNA typischerweise gering, in der A- und Z-DNA jedoch erheblich. Rollen und Neigen führen zu einer weniger parallelen Anordnung aufeinanderfolgender Basenpaare und sind typischerweise gering.

Der Begriff „Neigung“ wurde in der wissenschaftlichen Literatur oft unterschiedlich verwendet und bezeichnet die Abweichung der ersten Achse zwischen den Basenpaaren eines Strangs von der Senkrechten zur Helixachse. Dies entspricht einer Verschiebung zwischen aufeinanderfolgenden Basenpaaren und wird in Helix-basierten Koordinaten korrekterweise als „Neigung“ bezeichnet.

Helixgeometrien

Man geht davon aus, dass in der Natur mindestens drei DNA-Konformationen vorkommen: A-DNA , B-DNA und Z-DNA . Die von James Watson und Francis Crick beschriebene B- Form ist vermutlich in Zellen vorherrschend. [ 28 ] Sie ist 23,7 Å breit und erstreckt sich 34 Å pro 10 Basenpaare Sequenz. Die Doppelhelix weist eine Rechtsdrehung auf, die in Lösung alle 10,4–10,5 Basenpaare eine vollständige Umdrehung um die eigene Achse ausführt. Diese Drehfrequenz (die sogenannte Steigung der Helix ) hängt maßgeblich von den Stapelkräften ab, die jede Base auf ihre Nachbarn in der Kette ausübt.

A-DNA und Z-DNA unterscheiden sich in ihrer Geometrie und ihren Dimensionen deutlich von B-DNA, bilden aber dennoch Helixstrukturen. Lange Zeit ging man davon aus, dass die A-Form nur in dehydrierten DNA-Proben im Labor, wie sie beispielsweise in kristallographischen Experimenten verwendet werden, und in Hybridpaarungen von DNA- und RNA- Strängen vorkommt. DNA-Dehydratation findet jedoch auch in vivo statt , und es ist mittlerweile bekannt, dass A-DNA biologische Funktionen besitzt . DNA-Abschnitte, die Zellen zu regulatorischen Zwecken methyliert haben , können die Z-Geometrie annehmen, in der sich die Stränge um die Helixachse in die entgegengesetzte Richtung zu A-DNA und B-DNA drehen. Es gibt auch Hinweise darauf, dass Protein-DNA-Komplexe Z-DNA-Strukturen bilden.

Weitere Konformationen sind möglich; bisher wurden A-DNA, B-DNA, C-DNA , E-DNA, [ 29 ] L -DNA (das Enantiomer der D- DNA), [ 30 ] P-DNA, [ 31 ] S-DNA, Z-DNA usw. beschrieben. [ 32 ] Tatsächlich stehen derzeit nur die Buchstaben F, Q, U, V und Y zur Verfügung, um zukünftig auftretende neue DNA-Strukturen zu beschreiben. [ 33 ] [ 34 ] Die meisten dieser Formen wurden jedoch synthetisch hergestellt und sind in natürlich vorkommenden biologischen Systemen nicht beobachtet worden. Es existieren außerdem dreisträngige DNA- Formen und Quadruplex-Formen wie der G-Quadruplex und das i-Motiv .

Die Strukturen von A-, B- und Z-DNA
Die Helixachse von A-, B- und Z-DNA
Strukturelle Merkmale der drei Hauptformen der DNA [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]
Geometrieattribut A-DNA B-DNA Z-DNA
Helix-SinnrechtshändigrechtshändigLinkshänder
Wiederholungseinheit1 bp1 bp2 bp
Rotation/bp32,7°34,3°60°/2
bp/Turn1110,512
Neigung des Blutdrucks zur Achse+19°−1,2°−9°
Anstieg/Blutdruck entlang der Achse2,3 Å (0,23  nm )3,32 Å (0,332 nm)3,8 Å (0,38 nm)
Steigung/Windungszahl der Helix28,2 Å (2,82 nm)33,2 Å (3,32 nm)45,6 Å (4,56 nm)
Mittlere Propellerdrehung+18°+16°0°
GlycosylwinkelAntiAntiC: anti, G: syn
ZuckerkräuselungC3'-endoC2'-endoC: C2'-endo, G: C2'-exo
Durchmesser23 Å (2,3 nm)20 Å (2,0 nm)18 Å (1,8 nm)

Rillen

Große und kleine Furche der DNA. Die kleine Furche ist eine Bindungsstelle für den Farbstoff Hoechst 33258 .

Zwei helikale Stränge bilden das DNA-Rückgrat. Eine weitere Doppelhelix kann durch die Zwischenräume, die sogenannten Furchen, zwischen den Strängen gefunden werden. Diese Hohlräume liegen neben den Basenpaaren und können Bindungsstellen bilden . [ 38 ] Da die Stränge nicht direkt gegenüberliegen, sind die Furchen unterschiedlich breit. Die eine Furche, die große Furche, ist 22 Å breit, die andere, die kleine Furche, 12 Å. [ 39 ] Die geringere Breite der kleinen Furche bedeutet, dass die Basenränder in der großen Furche besser zugänglich sind. Daher interagieren Proteine ​​wie Transkriptionsfaktoren , die an spezifische Sequenzen in doppelsträngiger DNA binden können, üblicherweise mit den in der großen Furche exponierten Basenrändern. [ 4 ] Diese Situation kann in ungewöhnlichen DNA-Konformationen innerhalb der Zelle variieren (siehe unten) , aber die große und die kleine Furche werden stets so benannt, dass sie die Größenunterschiede widerspiegeln, die sichtbar wären, wenn die DNA in die normale B-Form zurückgedreht würde. [ 40 ]

Nicht-Doppelhelixformen

Alternative , nicht-helikale Modelle wurden Ende der 1970er Jahre kurzzeitig als mögliche Lösung für Probleme der DNA-Replikation in Plasmiden und Chromatin in Betracht gezogen. Aufgrund nachfolgender experimenteller Fortschritte, wie der Röntgenkristallographie von DNA-Doppelsträngen und später des Nukleosomenkernpartikels sowie der Entdeckung von Topoisomerasen , wurden diese Modelle jedoch zugunsten des Doppelhelixmodells verworfen. Auch heute noch werden die nicht-doppelhelikalen Modelle von der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht mehr akzeptiert. [ 41 ] [ 42 ]

Biegung

DNA ist ein relativ starres Polymer, das typischerweise als wurmartige Kette modelliert wird . Sie besitzt drei wesentliche Freiheitsgrade: Biegung, Torsion und Kompression. Jeder dieser Freiheitsgrade setzt der DNA innerhalb einer Zelle gewisse Grenzen. Die Torsionssteifigkeit ist wichtig für die Zirkularisierung der DNA und die Orientierung der an DNA gebundenen Proteine ​​zueinander. Die Biegesteifigkeit ist wichtig für die DNA-Aufwicklung, die Zirkularisierung und Proteininteraktionen. Die Kompressions- und Dehnungssteifigkeit ist bei fehlender hoher Spannung relativ unbedeutend.

Nachgiebigkeitslänge, axiale Steifigkeit

Beispielsequenzen und ihre Persistenzlängen (B-DNA)
Sequenz Persistenzlänge / Basenpaare
Zufällig 154±10
( CA ) Wiederholung133±10
( CAG ) Wiederholung124±10
( TATA ) wiederholen137±10

DNA in Lösung nimmt keine starre Struktur an, sondern ändert ihre Konformation ständig aufgrund thermischer Schwingungen und Kollisionen mit Wassermolekülen, wodurch klassische Steifigkeitsmaße nicht anwendbar sind. Daher wird die Biegesteifigkeit der DNA durch die Persistenzlänge gemessen, die wie folgt definiert ist:

Die Biegeflexibilität eines Polymers wird üblicherweise anhand seiner Persistenzlänge Lp quantifiziert, einer Längenskala, unterhalb derer sich das Polymer mehr oder weniger wie ein starrer Stab verhält. Genauer gesagt ist Lp definiert als die Länge des Polymersegments, über das die zeitlich gemittelte Orientierung des Polymers unkorreliert wird... [ 43 ]

Dieser Wert kann direkt mithilfe eines Rasterkraftmikroskops gemessen werden , um DNA-Moleküle unterschiedlicher Länge abzubilden. In wässriger Lösung wurde eine mittlere Persistenzlänge von etwa 50 nm (bzw. 150 Basenpaaren) ermittelt. [ 44 ] Allgemeiner wurde ein Wert zwischen 45 und 60 nm [ 45 ] bzw. 132–176 Basenpaaren (der Durchmesser der DNA beträgt 2 nm) beobachtet. [ 46 ] Dieser Wert kann aufgrund von Schwankungen der Temperatur, der Bedingungen in der wässrigen Lösung und der DNA-Länge erheblich variieren. [ 45 ] Dies macht DNA zu einem mäßig steifen Molekül. [ 44 ]

Die Persistenzlänge eines DNA-Abschnitts hängt unter anderem von seiner Sequenz ab, was zu erheblichen Unterschieden führen kann. Diese Unterschiede sind hauptsächlich auf die Basenstapelungsenergien und die in die kleine und große Furche hineinragenden Aminosäurereste zurückzuführen .

Modelle für die DNA-Krümmung

Stapelstabilität der Basenpaare (B DNA) [ 47 ]
Schritt Stapelung ΔG /kcal mol −1
TA-0,19
TG oder CA-0,55
CG-0,91
AG oder CT-1,06
AA oder TT-1,11
BEI-1,34
GA oder TC-1,43
CC oder GG-1,44
Klimaanlage oder GT-1,81
GC-2,17

Bei Längenskalen oberhalb der Persistenzlänge stimmt die entropische Flexibilität der DNA bemerkenswert gut mit Standardmodellen der Polymerphysik überein , wie beispielsweise dem Kratky-Porod- Modell der wurmartigen Kette . [ 48 ] Im Einklang mit diesem Modell steht die Beobachtung, dass die Biegung von DNA bei sehr kleinen Kräften (im Sub- Pikonewton- Bereich) ebenfalls durch das Hookesche Gesetz beschrieben wird . Für DNA-Segmente unterhalb der Persistenzlänge ist die Biegekraft annähernd konstant, und das Verhalten weicht von den Vorhersagen des wurmartigen Kettenmodells ab.

Dieser Effekt führt zu einer ungewöhnlichen Leichtigkeit bei der Zirkularisierung kleiner DNA-Moleküle und einer höheren Wahrscheinlichkeit, stark gekrümmte DNA-Abschnitte zu finden. [ 49 ]

Biegepräferenz

DNA-Moleküle weisen oft eine bevorzugte Krümmungsrichtung auf, d. h. anisotrope Krümmung. Dies ist wiederum auf die Eigenschaften der Basen zurückzuführen, aus denen die DNA-Sequenz besteht – eine zufällige Sequenz weist keine bevorzugte Krümmungsrichtung auf, d. h. isotrope Krümmung.

Die bevorzugte Krümmungsrichtung der DNA wird durch die Stabilität der Basenpaarung bestimmt. Sind instabile Basenpaarungen stets auf einer Seite der DNA-Helix zu finden, biegt sich die DNA bevorzugt von dieser Richtung weg. Mit zunehmendem Krümmungswinkel spielen sterische Hinderungen und die Fähigkeit der Basen, sich relativ zueinander zu drehen, eine Rolle, insbesondere in der kleinen Furche. Adenin- ( A) und Thyminreste (T) befinden sich bevorzugt in den kleinen Furchen auf der Innenseite der Krümmungen. Dieser Effekt ist besonders bei der DNA-Protein-Bindung zu beobachten, wo eine starke DNA-Krümmung induziert wird, wie beispielsweise in Nukleosomen . Siehe dazu die oben beschriebenen Basenpaarverzerrungen.

DNA-Moleküle mit außergewöhnlicher Biegungsneigung können intrinsisch gekrümmt werden. Dies wurde erstmals in der Kinetoplasten- DNA von Trypanosomatiden beobachtet . Typische Sequenzen, die dies verursachen, enthalten Abschnitte von 4–6 T- und A- Resten, die durch G- und C- reiche Abschnitte getrennt sind. Diese Abschnitte halten die A- und T-Reste auf einer Seite des Moleküls in Phase mit der kleinen Furche. Zum Beispiel:

¦¦¦¦¦¦
GATTCCCAAAAATGTCAAAAAATAGGCAAAAAATGCCAAAAAATCCCAAAC

Die intrinsische Krümmung der Struktur entsteht durch die „Propellerdrehung“ der Basenpaare zueinander, die ungewöhnliche, verzweigte Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren ermöglicht. Bei höheren Temperaturen denaturiert diese Struktur, wodurch die intrinsische Krümmung verloren geht.

Alle DNA-Moleküle, die sich anisotrop biegen, weisen im Durchschnitt eine größere Persistenzlänge und eine höhere axiale Steifigkeit auf. Diese erhöhte Steifigkeit ist erforderlich, um ein zufälliges Biegen zu verhindern, das zu einem isotropen Verhalten des Moleküls führen würde.

Kreislaufwirtschaft

Die Zirkularisierung von DNA hängt sowohl von der axialen (Biege-) als auch von der Torsionssteifigkeit (Rotationssteifigkeit) des Moleküls ab. Für eine erfolgreiche Zirkularisierung muss ein DNA-Molekül lang genug sein, um sich leicht zu einem vollständigen Kreis biegen zu lassen, und die richtige Anzahl an Basen aufweisen, damit die Enden in der korrekten Rotation stehen und Bindungen möglich sind. Die optimale Länge für die Zirkularisierung von DNA liegt bei etwa 400 Basenpaaren (136 nm) mit einer ganzzahligen Anzahl von Windungen der DNA-Helix, d. h. einem Vielfachen von 10⁴ Basenpaaren. Eine nicht-ganzzahlige Anzahl von Windungen stellt eine erhebliche Energiebarriere für die Zirkularisierung dar; beispielsweise zirkularisiert ein Molekül mit 10⁴ × 30 = 312 Basenpaaren um Hunderte Male schneller als ein Molekül mit 10⁴ × 30,5 ≈ 317 Basenpaaren. [ 50 ]

Die Biegung kurzer, zirkularisierter DNA-Abschnitte ist ungleichmäßig. Bei zirkularisierten DNA-Abschnitten, die kürzer als die Persistenzlänge sind, beschränkt sich die DNA-Biegung vielmehr auf 1–2 Knicke, die bevorzugt in AT-reichen Abschnitten auftreten. Ist ein Einzelstrangbruch vorhanden, ist die Biegung auf die Bruchstelle beschränkt. [ 49 ]

Dehnen

elastischer Dehnungsbereich

Längere DNA- Abschnitte verhalten sich unter Spannung entropisch elastisch. In Lösung unterliegt DNA aufgrund der im Lösungsmittelbad verfügbaren Energie kontinuierlichen Strukturveränderungen . Diese beruhen auf der thermischen Schwingung des Moleküls in Kombination mit ständigen Kollisionen mit Wassermolekülen. Aus entropischen Gründen sind kompaktere, entspannte Zustände thermisch leichter zugänglich als gestreckte Zustände, weshalb DNA-Moleküle fast immer in einer verknäuelten, entspannten Struktur vorliegen. Daher dehnt sich ein DNA-Molekül unter Krafteinwirkung und streckt sich. Mithilfe optischer Pinzetten wurde das entropische Dehnungsverhalten von DNA aus polymerphysikalischer Sicht untersucht und analysiert. Dabei zeigte sich, dass sich DNA im physiologisch zugänglichen Energiebereich weitgehend wie das Kratky-Porod -Modell einer wurmartigen Kette verhält.

Phasenübergänge unter Dehnung

Unter ausreichender Spannung und positivem Drehmoment durchläuft die DNA vermutlich einen Phasenübergang, bei dem sich die Basen nach außen spreizen und die Phosphate in die Mitte wandern. Diese vorgeschlagene Struktur für überdehnte DNA wird zu Ehren von Linus Pauling , der sie ursprünglich als mögliche Struktur der DNA vorstellte, als P-Form-DNA bezeichnet . [ 31 ]

Evidence from mechanical stretching of DNA in the absence of imposed torque points to a transition or transitions leading to further structures which are generally referred to as S-form DNA. These structures have not yet been definitively characterised due to the difficulty of carrying out atomic-resolution imaging in solution while under applied force although many computer simulation studies have been made (for example,[51][52]).

Proposed S-DNA structures include those which preserve base-pair stacking and hydrogen bonding (GC-rich), while releasing extension by tilting, as well as structures in which partial melting of the base-stack takes place, while base-base association is nonetheless overall preserved (AT-rich).

Periodic fracture of the base-pair stack with a break occurring once per three bp (therefore one out of every three bp-bp steps) has been proposed as a regular structure which preserves planarity of the base-stacking and releases the appropriate amount of extension,[53] with the term "Σ-DNA" introduced as a mnemonic, with the three right-facing points of the Sigma character serving as a reminder of the three grouped base pairs. The Σ form has been shown to have a sequence preference for GNC motifs which are believed under the GNC hypothesis to be of evolutionary importance.[54]

Supercoiling and topology

Supercoiled structure of circular DNA molecules with low writhe. The helical aspect of the DNA duplex is omitted for clarity.

The B form of the DNA helix twists 360° per 10.4-10.5 bp in the absence of torsional strain. But many molecular biological processes can induce torsional strain. A DNA segment with excess or insufficient helical twisting is referred to, respectively, as positively or negatively supercoiled. DNA in vivo is typically negatively supercoiled, which facilitates the unwinding (melting) of the double-helix required for RNA transcription.

Within the cell most DNA is topologically restricted. DNA is typically found in closed loops (such as plasmids in prokaryotes) which are topologically closed, or as very long molecules whose diffusion coefficients produce effectively topologically closed domains. Linear sections of DNA are also commonly bound to proteins or physical structures (such as membranes) to form closed topological loops.

Francis Crick was one of the first to propose the importance of linking numbers when considering DNA supercoils. In a paper published in 1976, Crick outlined the problem as follows:

Zur Betrachtung von Superhelixstrukturen geschlossener doppelsträngiger DNA-Moleküle sind bestimmte mathematische Konzepte wie die Verschlingungszahl und die Verdrillung erforderlich. Deren Bedeutung für ein geschlossenes Band wird erläutert, ebenso die der Verdrillungszahl einer geschlossenen Kurve. Es werden einige einfache Beispiele angeführt, von denen einige für die Struktur des Chromatins relevant sein könnten. [ 55 ]

Die Analyse der DNA-Topologie verwendet drei Werte:

  • L = Verdrillungszahl – die Anzahl der Umschlingungen eines DNA-Strangs um den anderen. Sie ist eine ganze Zahl für eine geschlossene Schleife und eine Konstante für eine geschlossene topologische Domäne.
  • T = Verdrillung – Gesamtzahl der Windungen in der doppelsträngigen DNA-Helix. Dieser Wert nähert sich üblicherweise der Anzahl der Windungen an, die eine topologisch offene doppelsträngige DNA-Helix in Lösung freigibt: Anzahl der Basen/10,5, vorausgesetzt, es sind keine interkalierenden Substanzen (z. B. Ethidiumbromid ) oder andere Elemente vorhanden, die die Steifigkeit der DNA verändern.
  • W = Windung – Anzahl der Windungen der doppelsträngigen DNA-Helix um die Superhelixachse
  • L = T + W und Δ L = Δ T + Δ W

Jede Änderung der Windungszahl T in einem geschlossenen topologischen Bereich muss durch eine Änderung der Windungszahl W ausgeglichen werden und umgekehrt. Dies führt zu einer höheren Strukturordnung der DNA. Ein ringförmiges DNA-Molekül mit einer Windungszahl von 0 ist ringförmig. Wird die Windungszahl dieses Moleküls anschließend durch Superhelixbildung erhöht oder verringert, ändert sich die Windungszahl entsprechend, wodurch das Molekül eine plectonemische oder toroidale Superhelixbildung durchläuft.

Wenn die Enden eines doppelsträngigen DNA-Moleküls zu einem Ring verbunden werden, entstehen topologisch verknotete Stränge . Das bedeutet, dass die Einzelstränge nur durch einen Strangbruch (z. B. Erhitzen) getrennt werden können. Die Aufgabe, topologisch verknüpfte DNA-Stränge zu entknoten, übernehmen Enzyme, die Topoisomerasen genannt werden . Diese Enzyme sind darauf spezialisiert, ringförmige DNA zu entknoten, indem sie einen oder beide Stränge spalten, sodass ein weiteres doppel- oder einzelsträngiges Segment hindurchtreten kann. Diese Entknotenung ist für die Replikation ringförmiger DNA und verschiedene Arten der Rekombination in linearer DNA, die ähnlichen topologischen Beschränkungen unterliegen, erforderlich.

Das Verknüpfungszahlenparadoxon

Lange Zeit blieb der Ursprung der verbleibenden Superhelixstruktur in eukaryotischen Genomen unklar. Dieses topologische Rätsel wurde von einigen als „Verknüpfungszahlparadoxon“ bezeichnet. [ 56 ] Als jedoch experimentell bestimmte Nukleosomenstrukturen eine übermäßig verdrillte , linkshändige DNA-Schleife um das Histonoktamer zeigten , [ 57 ] [ 58 ] galt dieses Paradoxon in der wissenschaftlichen Gemeinschaft als gelöst .

Siehe auch

Referenzen

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