Superenrolamento de DNA: 7 fatos rápidos completos

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O que é Supercoiling? | Superenrolamento de DNA

O DNA de uma célula como todos sabemos é muito compactado, inferindo um nível superior de organização estrutural. O mecanismo de dobramento do DNA embala o DNA celular para que as informações dentro do DNA permaneçam acessíveis.

Precisamos examinar a estrutura básica do DNA com cuidado para entender melhor a replicação do DNA e o processo de transcrição. Precisamos ter conhecimento prévio sobre uma propriedade crucial da estrutura do DNA que é superenrolamento.

Superenrolamento implica no enrolamento adicional de uma estrutura em espiral. Digamos, por exemplo, que o fio de um telefone é normalmente um fio enrolado. O fio entre o corpo do telefone e o receptor freqüentemente incorpora pelo menos uma bobina. As duas fitas de DNA se enrolam para produzir a estrutura de dupla hélice do DNA. O enrolamento no eixo do DNA causa o superenrolamento. O superenrolamento no DNA, em sua maior parte, é um sinal de tensão estrutural subjacente. Quando não há flexão axial do DNA resultante, o DNA é considerado em estado relaxado.

Superenrolamento de DNA
Figura: Superenrolamento de DNA, níveis de superenrolamento encontrados no DNA. Resumidamente, assemelha-se ao enrolamento de fio telefônico
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Epigenetic_mechanisms.png

Podemos ter antecipado que o processo de compactação do DNA incluiu algum superenrolamento. Talvez menos surpreendente seja que a replicação e a transcrição do DNA influenciam adicionalmente e são influenciadas pelo superenrolamento. A replicação e a transcrição requerem o desprendimento das fitas de DNA e o desenrolamento helicoidal do DNA.

  • O próprio DNA se torceria e se tornaria superenrolado em um DNA compactado na célula pareceria sensato, naquele ponto, e talvez até insignificante.
  • No entanto, várias moléculas circulares de DNA permanecem excepcionalmente superenroladas, mesmo após sua extração e purificação.
  • Isso sugere que o superenrolamento é uma propriedade intrínseca do DNA. Acontece no DNA de todas as células e é excepcionalmente regulado por todas as células.
  • Várias propriedades mensuráveis ​​do superenrolamento foram padronizadas, e a investigação do superenrolamento deu insights sobre a estrutura do DNA e sua função.
  • Esta investigação é baseada nas idéias da topologia e na investigação das propriedades de um objeto que não muda sob condições dinâmicas.

Para DNA, deformações consistentes incorporam mudanças conformacionais devido ao movimento térmico ou interação de proteínas ou outros agentes químicos; deformações intermitentes incluem quebra de fita de DNA. Para um DNA circular, as propriedades topológicas não são afetadas por mudanças estruturais nas fitas do DNA se as quebras das fitas não estiverem presentes. As propriedades topológicas são perturbadas exclusivamente pela quebra do esqueleto açúcar-fosfato e pela re-união de qualquer uma das fitas de DNA. Atualmente, examinamos as características fundamentais e a base física do superenrolamento.

A maior parte do DNA celular está prejudicada

Para reconhecer o superenrolamento, devemos inicialmente nos concentrar nas características de pequenos DNAs circulares, como pequenos DNAs virais e plasmídeos. Se o DNA não apresentar quebras em nenhuma das fitas, é considerado um DNA circular fechado. Suponha que o DNA de uma molécula de DNA circular se alinhe estreitamente para formar uma estrutura na forma B, conforme mencionado por Watson-Crick. A única volta do B-DNA consiste em 10.5 pb; então, o DNA é relaxado em vez de superenrolado.

Superenrolamento é observado quando o DNA é submetido à deformação estrutural. O DNA circular purificado raramente é encontrado no estado relaxado, independentemente de sua origem. Além disso, o DNA tem um grau característico de superenrolamento dependendo de sua fonte ou origem. A estrutura do DNA é tensionada para que possa sofrer superenrolamento. Em quase todos os eventos, a cepa é o resultado do enrolamento do DNA circular de dupla hélice.

  • Isso quer dizer que o DNA tem menos voltas helicoidais do que a estrutura do B-DNA.
  • O B-DNA contém 10.5 pares de bases (pb) em um turno.
  • Portanto, um fragmento de 84 bp de um DNA circular relaxado teria oito voltas helicoidais. Ou uma volta para cada 10.5 bp.
  • Se uma dessas voltas for removida, haveria (84 bp) / 7 = 12.0 bp por volta, em vez de 10.5 encontrados no B-DNA.

É um desvio da forma mais estável de estrutura de DNA, e a molécula de DNA é estressada termodinamicamente de acordo. Normalmente, uma grande quantidade de tensão seria alojada enrolando o eixo do DNA em si mesmo para enquadrar um superenrolamento (uma porção da cepa nesta seção de 84 bp seria espalhada na estrutura não torcida da partícula de DNA maior).

Em um nível básico, a cepa pode ser induzida pela segregação das duas fitas de DNA por uma distância de cerca de dez pb.

No DNA circular, a cepa apresentada por underwinding é geralmente alojada por superenrolamento em vez de segregação da fita, uma vez que o enrolamento no eixo do DNA geralmente requer menos energia do que quebrar as ligações de hidrogênio entre pares de bases complementares. 

Nota importante: não obstante o enrolamento do DNA in vivo tornar mais simples a segregação dos filamentos de DNA, oferecendo acesso à informação genética que eles contêm.

Cada célula rebobina constantemente seu DNA com a ajuda de ciclos enzimáticos, e o estado de tensão subsequente constitui uma espécie de energia armazenada. As células mantêm o DNA na forma subenrolada para que ele possa facilmente se enrolar. O underwinding do DNA é criticamente importante para o DNA enzimas metabolizadoras que precisam de separação de fitas como um componente de sua função.

O estado underwound é mantido como tal apenas no caso de DNA circular fechado, ou deve ser ligado a proteínas (histonas) para que as fitas não se enrolem umas nas outras. Se a fita de um DNA circular se romper, estando segregada e não ligada a proteínas, o movimento livre ou rotação no ponto fará com que o DNA subjacente volte ao seu estado relaxado imediatamente. No DNA circular, o número de voltas helicoidais confere o grau de superenrolamento.

O número de ligação topológico define DNA underwinding

A topologia fornece vários pensamentos que são úteis para esta conversa, especialmente a ideia de número de ligação. O número de ligação é uma propriedade baseada nas características topológicas do DNA de dupla hélice, uma vez que não muda se o DNA é deformado ou se dobra sem quebrar. O número de ligação (Lk) é demonstrado em.

Devemos começar imaginando a segregação das duas fitas de um DNA circular em dupla hélice. Se os dois fios estiverem conectados, eles serão produtivamente ligados por meio de uma ligação topológica. Independentemente de todas as interações de empilhamento de base e ligações de hidrogênio, a ligação topológica ainda une as duas fitas.

Se considerarmos uma fita de um DNA circular como a superfície (por exemplo, um filme de sabão), o número de ligação é retratado como o número de penetrações na superfície causadas pela segunda fita. Para um DNA circular, o número de ligação é sempre um valor inteiro.

Convencionalmente, o número de ligação é positivo quando as fitas de dupla hélice de DNA se entrelaçam em uma hélice destra. Se as fitas da dupla hélice do DNA se entrelaçam em uma hélice canhota, o número de ligação acaba sendo negativo. Os números de ligação negativos não são encontrados no DNA de maneira prática.

Quando a molécula de DNA circular está relaxada, o número de ligação pode ser facilmente determinado por vários pares de bases na molécula de DNA por par de bases por volta (~ 10.5). Para um DNA circular com 2100 pb, ele exibirá um número de ligação de 200.

O número de ligação é calculado para aquelas moléculas de DNA que não se quebram em nenhuma das fitas de DNA. No caso de quebra de fio, ligações topológicas não existem; portanto, o número de ligação permanece indefinido.

Agora somos capazes de retratar o enrolamento do DNA como resultado da mudança do número de ligação. O número de conexão no DNA relaxado, Lk0, é utilizado como uma fonte de perspectiva (referência). Para uma molécula de DNA com um número de ligação = 200 (Lk0 = 200), se duas voltas forem retiradas ou removidas desta molécula de DNA, Lk = 198. A equação pode retratar a mudança:

∆Lk = Lk - Lk0

∆Lk = 198 - 200 = -2

É muito melhor expressar a mudança no número de ligação em termos de diferença de ligação específica (σ) ou densidade superélica (esta quantidade não depende do comprimento do DNA). O número de ligação específico é matematicamente definido como o número de voltas removidas (mudança no número de ligação) dividido por várias voltas presentes no estado relaxado do DNA.

σ = ∆Lk / Lk0

assim, para uma molécula de DNA com um número de ligação de 200, se duas voltas forem removidas dela, a diferença de ligação específica torna-se

σ = -2/200 = -0.01 

isso demonstra que 2 de 200 (1%) do total de voltas helicoidais presentes na molécula de B-DNA são removidas.

Superenrolamento positivo | Superenrolamento negativo

O grau de underwinding do DNA celular é geralmente de 5% a 7%; ou seja, -0.05 a -0.07. Este sinal negativo mostra que uma mudança no número de ligação deve prejudicar ou por causa do enrolamento do DNA. O superenrolamento desencadeado pelo enrolamento inferior é, desta forma, caracterizado como superenrolamento negativo. Alternativamente, sob certas condições, o DNA pode ser superenrolado, resultando em superenrolamento positivo.

Aviso importante: O caminho da torção no eixo do DNA causado pelo superenrolamento positivo (DNA overwound) é a imagem espelhada da torção do eixo do DNA causada pelo superenrolamento negativo (DNA underwound).

O superenrolamento certamente não é uma interação arbitrária; o superenrolamento é geralmente dirigido pela cepa de torção conferida ao DNA, aumentando ou diminuindo o número de ligação do B-DNA. 

Ligando o número muda em um pela quebra de uma fita de DNA, girando uma das extremidades em 360o sobre a fita (ininterrupta) e juntando as pontas quebradas do B-DNA.

Essa mudança não perturba o número de pares de bases ou átomos no DNA circular. Dois tipos de DNA circular que variam em uma propriedade topológica (por exemplo, número de ligação) são chamados topoisômeros.

superenrolamento positivo e negativo
Figura: Representação de superenrolamento positivo e negativo no DNA https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/98/Subhash_nucleoid_06.png

O número de ligação pode ser dividido em dois componentes principais conhecidos como Twist (Tw) e Writhe (Wr). Esses são mais difíceis de retratar do que o número de ligação. No entanto, a contorção pode ser considerada um ato de enrolamento do eixo helicoidal e a torção é determinada como a relação espacial dos pares de bases vizinhos e a torção local. Neste ponto, a mudança no número de ligação resulta em uma mudança na proporção de deformação que normalmente é compensada por contorção (superenrolamento) e poucas por variações na Torção, é seguida pela equação:

Lk = Tw + Wr

Tw e Wr não são necessariamente inteiros. Writhe e Twist são propriedades geométricas em vez de propriedades topológicas, uma vez que as distorções podem alterá-las no DNA circular.

Eles causam superenrolamento e tornam a segregação dos fios muito mais simples. O underwinding do DNA funciona em conjugação com várias outras mudanças estruturais no DNA circular. Estes são de menor significância fisiológica, no entanto, ajudam a mostrar os impactos do enrolamento.

Um cruciforme geralmente contém várias bases desemparelhadas; O enrolamento do DNA ajuda a manter a separação necessária das fitas. O DNA helicoidal duplo destro resulta na formação de pequenas manchas de Z-DNA canhoto em locais com a sequência de nucleotídeos consistente com o Z-DNA.

Topoisomerase | Mudança no número de ligação | Introdução do Supercoiling Negativo

O superenrolamento do DNA é um processo que impacta o metabolismo do DNA. Cada célula possui enzimas específicas com a única capacidade de enrolar ou potencialmente relaxar a dupla hélice do DNA. As enzimas que causam uma diminuição ou aumento no enrolamento do DNA são conhecidas como topoisomerases; eles geralmente mudam o número de ligação do DNA para manter o superenrolamento.

topoisomerase
Figura: Mecanismo de Ação e Inibição da Topoisomerase
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Topoisomerase_DNA.gif#/media/File:Topoisomerase_DNA.gif

Essas enzimas exibem um papel particularmente significativo no processo de empacotamento e replicação do DNA. De forma ampla, a topoisomerase é classificada em dois tipos principais:

  • As topoisomerases do tipo I separam uma fita do DNA em dupla hélice. Ele passa a fita ininterrupta de DNA através da lacuna e liga a extremidade quebrada; A topoisomerase tipo I provoca uma mudança em Lk pelo incremento de 1. 
  • As topoisomerases do tipo II quebram ambas as fitas da dupla hélice de DNA em hélice dupla e alteram Lk pelo incremento de 2.

Os impactos das topoisomerases na topologia do DNA podem ser descritos por eletroforese em gel (agarose). Uma população de DNAs plasmídicos semelhantes com o mesmo número de ligação viaja como uma banda descontínua durante a eletroforese. Topoisômeros variando em apenas 1 valor de Lk podem ser isolados por esta técnica, de modo que a alteração no número de ligação instigada por topoisomerases pode ser facilmente identificada.

E. coli tem quatro topoisomerases individuais distintas (I a IV). O tipo I (inclui topoisomerases I e III): 

geralmente relaxa a dupla hélice do DNA eliminando superenroladas negativas (aumentando assim o valor Lk). Como as topoisomerases bacterianas do tipo I aumentam o número de ligação é explicado em. Uma topoisomerase bacteriana do tipo II ou girase de DNA é capaz de induzir supercoils negativas e, eventualmente, diminuir o valor Lk.

Ele utiliza a energia do ATP para conseguir isso. Para alterar o número de ligação da dupla hélice do DNA, as topoisomerases do tipo II separam as duas fitas da dupla hélice do DNA e, posteriormente, permite cruzar outro duplex através da quebra. O nível de superenrolamento do DNA bacteriano está completamente sob a regulação das topoisomerases I e II. Além disso, os eucariotos têm topoisomerases tanto do tipo I quanto do tipo II.

As topoisomerases I e III pertencem à classe das enzimas do tipo I; enquanto as enzimas do tipo II incluem topoisomerases II-α e II-β. As topoisomerases eucarióticas do tipo II não podem reduzir o DNA (induzir superenrolamento negativo), mas podem relaxar o superenrolamento negativo e positivo.

superenrolamento e indução negativa
Figura: Indução de superenrolamento negativo no DNA https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Subhash_nucleoid_04.png#/media/File:Subhash_nucleoid_04.png

Consideraremos um provável início de supercoils negativos em células eucarióticas em nossa conversa sobre cromatina em nossa discussão posterior.

A compactação de DNA precisa de superenrolamento

A dupla hélice superenrolada de DNA é uniforme em vários aspectos. O Superenrolamento é destro em uma molécula de DNA que é superenrolada negativamente e eles tendem a ser estreitos e estendidos em vez de exibir uma estrutura compacta com vários ramos. Nessa densidade superélica que é tipicamente experimentada nas células, o comprimento do eixo do superenrolamento com ramificações constitui aproximadamente 40% do comprimento total do DNA.

Este tipo de Superenrolamento é conhecido como Superenrolamento plectonêmico (é uma combinação de palavras gregas “plektos” significa “curvo” e “nema” significa “corda”).

Este termo se aplica a qualquer projeto com fios entrelaçados regularmente e é uma descrição decente da estrutura geral do DNA superenrolado em Superenrolamento Plectonêmico. A estrutura mostrada em DNAs separados no laboratório não fornece compactação adequada ao DNA celular compactado. O segundo tipo de Superenrolamento, conhecido como solenoidal, pode ser produzido por um DNA subjacente.

Solenóide Estrutura de fibra de 30 nm mais próxima e mais distante
Figura: Um exemplo de Superenrolamento Solenoidal encontrado no DNA https://en.wikipedia.org/wiki/File:Solenoid_30_nm_fibre_structure_closer_and_farther_away.png

Ao contrário da forma plectonêmica (caracterizada pelo Superenrolamento estendido para a direita), o Superenrolamento solenoidal é caracterizado por curvas fechadas para a esquerda. Apesar de suas estruturas serem drasticamente diferentes umas das outras, solenoidal e plectonêmica são dois tipos de superenrolamento negativo que um fragmento semelhante de DNA subjacente pode assumir.

As duas estruturas são freqüentemente interconvertíveis. No entanto, a estrutura plectonêmica é mais estável. Mas a estrutura solenoidal é freqüentemente estabilizada pela ligação a proteínas, que é a estrutura encontrada na cromatina. Proporciona um nível de compactação muito mais alto. No Superenrolamento Solenoidal, o enrolamento inferior contribui para a compactação do DNA.

Conclusões

Neste artigo, discutimos em profundidade o mecanismo de superenrolamento do DNA e as enzimas e proteínas envolvidas no processo de superenrolamento. Continuaremos a discutir mais aspectos do DNA nos próximos posts. Para saber sobre a composição do DNA clique aqui

Entrevista Q&A

Q1 Por que o Supercoiling positivo é importante?

Responda: O superenrolamento positivo do DNA facilita o desenrolamento do DNA das histonas e altera a estrutura do nucleossomo in vitro; inversamente, os nucleossomos rapidamente formam DNA superenrolado negativo. Assim, considera-se que em todo evento de transcrição, o Supercoiling positivo é empurrado após a RNA polimerase. O estresse torcional positivo acumulado desencadeia mudanças nos nucleossomos e cria condições nas quais a polimerase transcreve proficientemente por meio de toda a matriz nucleossômica.

Q2 O Supercoiling é bom ou ruim?

Responda: O superenrolamento do DNA é importante porque o DNA é uma molécula muito longa e precisa se ajustar a uma célula com raio da ordem de micrômetros. Ele requer loop repetido dentro de loops de enrolamento para caber; esse tipo de enrolamento é conhecido como Supercoiling. Também regula o processo de transcrição e replicação. 

Q3 Como o Superenrolamento positivo do DNA aumenta?

Responda: O superenrolamento positivo do DNA acontece quando a dupla hélice direita do DNA é dobrada com muito mais força (contorcida em um desenho dado à direita) até que a hélice comece a formar um nó.

Superenrolamento negativo do quarto trimestre em bactérias

Responda: O DNA bacteriano geralmente exibe Superenrolamento negativo em células bacterianas, pois contém uma deficiência de voltas helicoidais. Em sua estrutura B-DNA, as fitas da dupla hélice do DNA dão uma volta completa a cada 10.5 pares de bases. Aumentar o número de voltas torna a dupla hélice do DNA mais apertada e resulta em contorções devido ao enrolamento axial na dupla hélice do DNA. Eliminar curvas por rebobinamento do duplex tem o impacto oposto, fazendo o duplex se contorcer negativamente.

Q5 Por que o Supercoiling negativo é importante?

Responda: Superenrolamento negativo tem uma função natural significativa de segregação de fita de DNA durante a replicação e a transcrição. A separação dos fios diminui o estresse de torção no DNA superenrolado negativo. Dessa forma, é energeticamente menos caro segregar fitas no DNA superenrolado negativo do que no DNA relaxado, e a diferença de energia é fornecida pelo relaxamento do DNA.

P6 Por que o superenrolamento positivo do DNA torna o DNA mais estável em altas temperaturas?

Responda: O superenrolamento positivo do DNA aumenta o número de ligações entre duas fitas de DNA. Uma conformação que dá resistência à desnaturação induzida pelo calor à dupla hélice do DNA torna-a estável em condições hiper-termofílicas. os plasmídeos isolados da bactéria vivendo em condições hiper-termofílicas exibiram um número de ligação mais alto em comparação com os plasmídeos isolados da bactéria que não viveu nessas condições.

Q7 Por que o DNA do plasmídeo supercoil migra através da agarose com a menor resistência em comparação com a outra forma ex linear?

Responda: Devido à sua natureza superenrolada, os fragmentos de DNA tornam-se menores em tamanho e, portanto, sofrem menos obstrução por atrito do gel - o que faz com que o movimento dessa forma de DNA seja mais rápido do que outras formas.

Q8 Qual é a diferença entre superenrolamento de DNA restrito e irrestrito?

Responda: A palavra “irrestrito” é utilizada para representar o Supercoiling em DNA “livre” devido à cepa topológica. Não é suportado ou depende de proteínas, pelo que vale em eucariotos, onde cerca de 147 pares de bases de DNA são enrolados em torno do nucleossomo, que é essencialmente um octâmero de histona feito de 2 unidades de histonas H2A, H2B, H3 e H4. Este tipo de Superenrolamento é classificado como “restrito” porque a estrutura do nucleossomo o restringe.

Q9 Qual enzima ajuda a cortar uma fita do duplex de DNA para liberar o enrolamento de duas fitas?

Responda: A topoisomerase corta o fio e libera o enrolamento. As topoisomerases do tipo I separam uma fita do DNA em dupla hélice. Ele passa a fita ininterrupta de DNA através da lacuna e liga a extremidade quebrada; A topoisomerase tipo I provoca uma mudança em Lk pelo incremento de 1. As topoisomerases tipo II quebram ambas as fitas de dupla hélice de DNA em hélice dupla e mudam Lk pelo incremento de 2.

P10 Os plasmídeos bacterianos são redondos ou superenrolados?

Responda: Em muitas espécies, o DNA bacteriano é circular e superenrolado negativamente. Um plasmídeo purificado de Escherichia coli na fase de crescimento médio (exponencial) é superenrolado ao grau de σ = −0.06. Dentro da célula, o Supercoiling irrestrito tem cerca de metade desse valor.

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