超螺旋結(jié)構(gòu)&張力

-DNA的兩條鏈相互纏繞形成雙螺旋結(jié)構(gòu)；雙螺旋結(jié)構(gòu)也可以自身相互纏繞，來改變DNA分子的空間構(gòu)象或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(topology)，這就是超螺旋(supercoiling),這種效應(yīng)類似于一個橡皮圈纏繞自身。超螺旋在DNA分子中產(chǎn)生張力，這樣，它僅在無游離端的閉合DNA中產(chǎn)生(否則，游離端通過旋轉(zhuǎn)就能釋放張力)；或者，在線性DNA中，當(dāng)它被蛋白質(zhì)支架錨定時，就像在真核生物的染色體中一樣，它也會產(chǎn)生張力。最簡單的沒有固定末端的DNA是環(huán)狀分子。通過比較水平松散的無超螺旋的環(huán)狀DNA和形成扭轉(zhuǎn)因而形狀更致密的超螺旋環(huán)狀分子，我們就可以發(fā)現(xiàn)超螺旋的作用。

正超螺旋&負(fù)超螺旋

-超螺旋的結(jié)果取決于DNA扭轉(zhuǎn)的方向與雙螺旋中兩條單鏈的扭轉(zhuǎn)方向(順時針)是一致還是相反的。同向扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生正超螺旋(positive supercoiling)，這使得DNA鏈彼此纏繞的更緊，使得每一圈擁有更多堿基對；反向扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)超螺旋(negative supercoiling),這使得DNA鏈彼此纏繞的松些，這樣，沒圈的堿基對數(shù)就會減少。在空間上，雙螺旋結(jié)構(gòu)的兩種超螺旋形式都會在DNA中產(chǎn)生張力(這就是沒有超螺旋的DNA分子被稱之為“松弛”的原因)。負(fù)超螺旋使DNA產(chǎn)生張力，這一張力只能通過解開DNA雙螺旋來釋放，負(fù)超螺旋的最嚴(yán)重結(jié)果是產(chǎn)生一個兩條單鏈接開的區(qū)域(即每圈0個堿基對)。

-DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的操作是其各項(xiàng)功能活性的核心因素，如重組、復(fù)制和轉(zhuǎn)錄；也影響著DNA的較高級結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗猩婕半p鏈DNA的合成活性都要求解鏈。然而，兩條鏈并不是并列排列的，即它們纏繞在一起。因此，解開它們就要求兩條鏈在空間中彼此翻轉(zhuǎn)。
-解開短鏈的線性DNA沒有任何問題，因?yàn)镈NA末端是游離的，DNA鏈可以繞雙螺旋的長軸翻轉(zhuǎn)來釋放任何張力。但是，典型染色體中的DNA不僅特別長，而且還包被蛋白質(zhì)，用以在很多位點(diǎn)錨定DNA，因此，就功能而言，即使是線性的真核細(xì)胞染色體，也不會擁有游離末端。

超螺旋圈

-設(shè)想一下，解開一個末端不能隨意翻轉(zhuǎn)的分子中的兩條鏈，當(dāng)從一端拉開相互纏繞的兩條鏈時，將使分子的其他部分纏繞得更緊，而引入一個瞬間的缺口就可以克服這個問題，這樣，有缺口的鏈可以繞完整的鏈翻轉(zhuǎn)，而缺口可以在此之后被填補(bǔ)。由此，每一次切開和填補(bǔ)反應(yīng)就釋放出一個超螺旋圈。

鏈環(huán)數(shù)(L)、纏繞數(shù)(W)、扭轉(zhuǎn)數(shù)(T)

鏈環(huán)數(shù)&拓?fù)洚悩?gòu)體

-閉合DNA分子可以用它的鏈環(huán)數(shù)(linking number,L)來標(biāo)記，即在空間上一條鏈繞另一條鏈的環(huán)繞圈數(shù)。相同序列的DNA可以有不同的鏈環(huán)數(shù)，這反映了超螺旋程度的差異。僅鏈環(huán)數(shù)不同的DNA分子稱為拓?fù)洚悩?gòu)體(topological isomer)。
-鏈環(huán)數(shù)有兩部分組成:纏繞數(shù)(writhing number,W)和扭轉(zhuǎn)數(shù)(twisting number,T)。

扭轉(zhuǎn)數(shù)

-扭轉(zhuǎn)數(shù)(T)是雙螺旋結(jié)構(gòu)自身的特性，它反映了一條鏈相對于另一條鏈的旋轉(zhuǎn)情況，代表了雙螺旋的總?cè)?shù)，由每圈多少個堿基對決定。對于一個松散的閉合環(huán)狀DNA而言，其扭轉(zhuǎn)數(shù)是總的堿基對數(shù)除以每圈所含的堿基對數(shù)。

纏繞數(shù)

-纏繞數(shù)(W)表示雙鏈的軸在空間中所纏繞數(shù)，它符合超螺旋的直觀概念，但沒有確定的相同的量化定義或測定值。對松散分子而言，W=0，鏈環(huán)數(shù)就等于扭轉(zhuǎn)數(shù)。

L= W+T

-我們常關(guān)注鏈環(huán)數(shù)的變化(L)，其計算公式如下：L= W+T
這個公式說明，一條DNA鏈相對于另一條的總的解鏈變化可以用空間中雙螺旋的軸的螺旋變化(W)和扭轉(zhuǎn)雙螺旋自身所引起的變化(T)的總效應(yīng)來衡量。在缺少蛋白質(zhì)結(jié)合或其它限制條件下，DNA的扭曲基本不變，換句話說，對于溶液中的DNA而言，10.5bp/圈的螺旋重復(fù)就是一個非常恒定的空間構(gòu)象。這樣，任何的L(鏈環(huán)數(shù)的變化)就幾乎等同于W的變化，即超螺旋的變化。
-鏈環(huán)數(shù)減少，即L為負(fù)，則說明該DNA分子引入了不同組合的負(fù)超螺旋(W)和(或)處于欠旋狀態(tài)(underwinding)(T);而鏈環(huán)數(shù)增加，即L為正，則說明該DNA分子提高了它的正超螺旋和(或)處于過旋狀態(tài)(overwinding)。
-我們可以用特定的鏈環(huán)數(shù)的變化來描述DNA的狀態(tài)變化，即σ=L/L0，L0是DNA松散時的鏈環(huán)數(shù)。如果鏈環(huán)數(shù)的變化都是由于W的變化(也就是說，T=0)，那么，特定的鏈環(huán)數(shù)差異就等同于超螺旋的密度。這樣的話，σ由L/L0得到，就可以被認(rèn)為在雙螺旋自身結(jié)構(gòu)保持不變時，與超螺旋的密度相對應(yīng)。
-鏈環(huán)數(shù)的重要應(yīng)用價值在于它是任何一個閉合DNA分子恒定的參量。鏈環(huán)數(shù)不會因鏈的斷裂或是重接之外的任何其它變形因素而改變。一個環(huán)狀分子的T和W可以有不同的組合，但只要鏈不發(fā)生斷裂，它們的總數(shù)就不會變，即鏈環(huán)數(shù)不會變化(事實(shí)上，將L分割為W和T，使得在溶液中能允許DNA的后兩個參數(shù)發(fā)生變化)。
-鏈環(huán)數(shù)與實(shí)際酶的作用相關(guān)，酶可以改變DNA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一個特定的閉環(huán)分子的鏈環(huán)數(shù)可以通過斷開一條或是兩條鏈來改變，即用游離末端的一條鏈纏繞另一條翻轉(zhuǎn)，并重接斷開的末端。當(dāng)酶起到這樣的作用時，它必須以整數(shù)倍來改變鏈環(huán)數(shù)——這個整數(shù)可以用來衡量反應(yīng)的特性。在細(xì)胞中由拓?fù)洚悩?gòu)酶來控制超螺旋的變化。

Main Point

-①超螺旋僅在無游離端的閉合DNA中產(chǎn)生。
-②閉合DNA可以是環(huán)狀或是線性的，其末端是錨定的，不能自由旋轉(zhuǎn)。
-③每個閉合DNA分子有其鏈環(huán)數(shù)(L)，即扭轉(zhuǎn)數(shù)(T)與纏繞數(shù)(W)之和。
-④只能通過斷開或是產(chǎn)生DNA中的連接來改變鏈環(huán)數(shù)。

Question

DNA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):也是DNA存在的一種形式。DNA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指在DNA雙螺旋的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步扭曲所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。超螺旋結(jié)構(gòu)是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要形式