ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОМОТОРНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ E.COLI И РАННИХ ОБЛАСТЕЙ ГЕНОМОВ ФАГОВ Т4 И Т7
Сорокин
А.А., Джелядин Т.Р., Иванова Н.Н., Сивожелезов В.С., Полозов Р.В., Камзолова С.Г.
(г. Пущино, Московской области)
Рассчитан профиль распределения электростатического
потенциала вокруг полной последовательности хромосомы E.coli, а также 359
фрагментов ДНК длиной 400п.н., содер-жащих промоторы E.coli, обозначенные на
хромосоме как экспериментально подтвержденные, и промоторы ранних генов фагов
Т7 и Т4. Проведен анализ особенностей электро-статических свойств промоторных и
непромоторных областей ДНК. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в
процессе эволюции в промоторных областях отбирались фрагменты последовательности,
обладающие пониженным электростатическим потенциалом.
ELECTROSTATIC
PROPERTIES OF NUCLEOTIDE SEQUENCES FOR E.COLI AND PHAGES PROMOTERS
A.A. Sorokin, T.R.
Dzhelyadin, N.N. Ivanova, V.S. Sivozhelezov, R.V. Polozov,
S.G. Kamzolova.
(Pushchino, Moscow region)
Using original method, calculation of electrostatic
potential distribution was performed for nucleotide sequences of the whole
E.coli chromosome, as well as for 359 DNA fragments (~400 b.p.) containing
experimentally confirmed E.coli promoters and promoters of T7 and T4 phage
early genes. Some features characterizing electrostatic properties of promoter
and non-promoter DNA regions were revealed. The results obtained indicate that
nucleotide sequences with lower electrostatic potentials have been chosen for
promoter regions in the evolution process.
Стремительный рост числа известных первичных структур фрагментов ДНК и даже целых геномов требует разработки эффективных методов анализа и интерпретации генетических текстов. Одновременно с этим все большее внимание исследователи уделяют изучению физико-химических свойств функционально важных фрагментов ДНК. Согласно современным представлениям физико-химические свойства, задаваемые нуклеотидной последовательностью, играют важную роль в обеспечении специфичности и эффективности промоторно-полимеразного взаимодействия. В настоящее время известно, что такие физико-химические характеристики промоторной ДНК, как геометрия двойной спирали, ее изгибность, наличие изломов, легкоплавких участков, "шпилек" или "петель", а также динамические свойства как промоторных участков ДНК, так и макромолекулы в целом оказывают существенное влияние на "силу" промоторов и характер их взаимодействия с РНК-полимеразой.
В литературе неоднократно поднимался также вопрос о значении
электростатических взаимодействий в промоторно-полимеразном узнавании. Однако
исследование этого вопроса тормозилось из-за отсутствия простого метода расчета
распределения электростатического потенциала вокруг длинных нуклеотидных последовательностей
ДНК, величиной не менее длины промотора. Разработка такого метода на основе
кулоновской формулы позволила нам в этой работе провести исследования,
направленные на выяснение вклада электростатических взаимодействий в
обеспечение дифференцированного характера взаимодействия РНК-полимеразы с
разными промоторами и выявление новых промоторных детерминант на основе
электростатических характеристик промоторов. (1,2)
Модификация метода расчета распределения электростатического
потенциала позволила проводить анализ электростатических характеристик
последовательностей длиной в несколько миллионов пар оснований. Это сделало
возможным анализ целых геномов. Поскольку вся наша работа сконцентрирована
вокруг промоторов, взаимодействующих с РНК-полимеразой E.coli, нами был рассчитан профиль распределения
электростатического потенциала вокруг полной последовательности хромосомы E.coli. (1,2)
На рисунке 1
приведены функции плотности вероятности распределения величины
электростатического потенциала для полной хромосомы (сплошная линия) и для
набора промоторных последовательностей (пунктирная линия). Видно, что оба
распределения унимодальны и имеют колоколообразный вид (для хромосомы в целом
<p>=-22.7982, s=0.5594,
для промоторной области <p>=-23.0466, s=0.5887), однако гипотеза
о нормальности обоих распределений была отвергнута на уровне значимости 10-4
на основании критерия Колмогорова-Смирнова. Также необходимо отметить, что хотя
распределение потенциала в промоторной области отличается от распределения на
хромосоме в целом, но разность слишком мала для того, чтобы напрямую
использовать ее для выявления промоторных областей.
Для того, чтобы выяснить, насколько распределение
электростатического потенциала в промоторной области характерно для хромосомы E.coli в целом, нами был проанализирован, гексануклеотидный
состав хромосомы. Показано, что состав промоторных областей значительно
отличается от состава хромосомы в целом, более 500 шестичленников встречается в
промоторах в два раза чаще, чем в целом на хромосоме.
Для выяснения характера электростатического окружения, в котором находится тот или иной гексануклеотид был вычислен потенциал в центре гексануклеотида, усредненный по всем экземплярам данного гексануклеотида на хромосоме. Полученная величина отражает величину электростатического потенциала, в котором находится большая часть гексануклеотидов данного типа. Оказалось, что гексануклеотиды, локализованные преимущественно в промоторных зонах, находятся, в среднем, в более электроотрицательном окружении.
Полученные результаты подтверждают предположение о том, что электростатический потенциал играет важную роль в функционировании промоторов, поскольку в нуклеотидном составе промоторных областей преобладают олигонуклеотиды, находящиеся в более отрицательном окружении. Кроме того, можно предположить, что в процессе эволюции в промоторных областях отбирались фрагменты последовательности, обладающие пониженным электростатическим потенциалом.
Рис. 1. Плотность вероятности
распределения величины электростатического потенциала для полной хромосомы и
для набора промоторных последо-вательностей.
Список литературы:
1.R.V. Polozov, T.R. Dzhelyadin, A.A. Sorokin, N.N. Ivanova, V.S. Sivozhelezov, S.G. Kamzolova. 'Electrostatic potentials of DNA. Comparative analysis of promoter and nonpromoter nucleotide sequences.' J. Biomol. Structure & Dynamics, 16(6) 1999, 1135-1143
2.S.G. Kamzolova, V.S. Sivozhelezov, A.A. Sorokin, T.R. Dzhelyadin, N.N. Ivanova, R.V. Polozov. 'RNA polymerase-promoter recognition. Specific features of electrostatic potential of "early" T4 phage DNA promoters.' J. Biomol. Structure & Dynamics, 18(3) 2000, 325-334.