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DNA拓扑学与拓扑异构酶

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三种环形DNA的拓扑学特征

三种环形DNA的拓扑学特征
线性环DNA（linear plasmid DNA）
线性环DNA在基因克隆、基因治疗和基因组编辑等领域具有广泛应用价值。
04
三种环形DNA的拓扑学 变化对生物过程的影响
对DNA复制的影响
复制速度
环形DNA的拓扑结构会影响DNA的复制速度。例如，超螺旋DNA的复制速度通 常比松弛DNA慢。
复制错误率
三种环形DNA的拓扑学特征
目录
• 环形DNA的拓扑学概述 • 三种环形DNA的拓扑学特征 • 三种环形DNA的拓扑学特性比较 • 三种环形DNA的拓扑学变化对生物过程的影响 • 三种环形DNA的拓扑学研究前景与展望
01
环形DNA的拓扑学概几何图形或空间在 连续变形下保持不变性质的数学 分支。
进一步揭示DNA拓扑结构在基因表达调控中的作用机制。
发展更高效的拓扑学研究方法
提高研究方法的准确性和效率，为生物医学研究提供更多有价值的信息。
拓展拓扑学在生物医学领域的应用范围
将拓扑学原理应用于更多的生物学和医学问题中，推动相关领域的发展。
谢谢观看
对细胞分裂的影响
有丝分裂
在有丝分裂过程中，环形DNA的拓扑 结构会影响染色体的分离和重组，从 而影响细胞分裂的正常进行。
减数分裂
在减数分裂过程中，环形DNA的拓扑 结构也会影响同源染色体的配对和分 离，从而影响生殖细胞的遗传组成。
05
三种环形DNA的拓扑学 研究前景与展望
拓扑学研究方法的发展
数学模型
03
三种环形DNA的拓扑学 特性比较
拓扑学稳定性比较
共价闭合环DNA（cccDNA）
cccDNA具有高度稳定性，不易发生断裂或重组，因此被认为是病毒基因组的稳定形式。

三种环形DNA的拓扑学特征 2

三种环形DNA的拓扑学特征 2
制作成员：周冠彤 演讲成员：梁梦晓 小组成员：周冠彤
梁梦晓 翁柳丽 梁梦晓
DNA的三级结构是指DNA分子 （双螺旋）通过扭曲和折叠 所形成的特定构象，包括不 同二级结构单元间的相互作 用、单链与二级结构单元间 的相互作用以及DNA的拓扑特 征。
许多DNA是双链环状分子，如 细菌染色体DNA、质粒DNA、细 胞器DNA、某些病毒DNA等。通 常可以观察到3种形式的DNA。 共价闭环DNA：常呈超螺旋型 开环DNA：双链环状DNA的一条链 断裂，分子呈松弛状 线型DNA：环状DNA双链断裂
,
在闭环状双链DNA的拓扑学转变
一个封闭的环状双链DNA分子
拓扑异构酶有两种类型。
I类能使双链超螺旋DNA转变成松弛型环 状DNA，每一次催化作用可消除一个负超 螺旋，即使L值增加1。 II类酶刚好相反，可使松弛型环状DNA 转变成负超螺旋DNA，每次催化作用，使L 值减少2。拓扑异构酶II也称促旋酶。
天然环状DNA一般都以负超螺旋构象存在， 负超螺旋DNA易于解链。DNA的复制、重组 和转录等过程都需将两条链解开，因此负 超螺旋有利于这些功能的进行。但是这些 生物学过程需要的负超螺旋程度是各不相 同的，可以通过DNA的拓扑结构来调节其功 能。
DNA的拓扑异构体之间的转变是通过拓扑 异构酶来实现的。这种酶可以改变DNA的拓 扑异构体的L值。
这两种拓扑异构酶的作用刚好相反，所 以细胞内两种酶的含量受严格的控制，使 细胞内DNA保持在一定的超螺旋水平。
（1）连环数 在双螺旋DNA中，一条链以右手螺旋绕 另一条链缠绕的次数，以字母L表示，在 松弛环状DNA中，L=25，在解链环状DNA 中及超螺旋分子中L值皆为23。 三种环状DNA分子具有相同的结构，但 L值不同，所以称它们为拓扑异构体。 拓扑异构酶可以催化拓扑异构体之间 的转换。

拓 扑 异 构 酶 - 天津科技大学

拓 扑 异 构 酶 - 天津科技大学

定义：为催化DNA拓扑学异构体相互 转变的 酶之总称。poisomeraseⅠ）。 通过切断二个链来进行的称为 Ⅱ型拓扑异构酶（topoisomeraseⅡ）
作用机理
Ⅰ型拓扑异构酶不需要ATP的能量 而催化异构体化，作为反应的中间产 物，在原核生物来说是游离型的5′-OH 末端扣3′-磷酸末端与酶形成共价键， 而真核生物是3′-OH末端5′-磷酸末端与 酶形成共价键。此酯键中所贮存的能 量，可能在切断端的再结合上起着作 用。
（三）毒素与治疗
拓扑异构酶在维持DNA空间构象 及保证其行使功能方面都起着举足轻 重的作用，因此它也成为了一些毒素 进攻的敏感靶点。如果拓扑异构酶的 功能受到抑制，那么将会直接影响到 DNA转录以及细胞的分裂过程。癌症 的化疗正是利用了这一点，在治疗过 程中利用一些药物将此酶的功能抑制， 以达到杀死正处于迅速分裂状态的癌 细胞的目的。
通过切断二个链来进行的称为型拓扑异构酶topoisomerasep作用机理型拓扑异构酶不需要atp的能量而催化异构体化作为反应的中间产物在原核生物来说是游离型的5oh末端扣3磷酸末端与酶形成共价键末端扣3磷酸末端与酶形成共价键而真核生物是3oh末端5磷酸末端与酶形成共价键
专业：生物技术 姓名：黄琳
拓扑异构酶
在Ⅱ型拓扑异构酶中，DNA促旋 酶可单独催化闭环状DNA产生超螺旋， 这是独特的。其它二个型的酶，除可 使超螺旋松弛也需要ATP的能量外， 还可催化促旋酶的催化反应。
在复制中的具体作用
（一）松弛DNA
Ⅰ型拓扑异构酶解决了DNA在螺旋化以 及解螺旋的过程中所引起的张力问题。这里 给出了一个例子，蛋白质编号为1a36。它包 裹在DNA外围，并将双链DNA中的一条链切 开，然后固定住切开的一端，使DNA沿螺旋 轴向着解开超螺旋的方向旋转，在此过程中 消除了任何的正超螺旋或负超螺旋。一旦 DNA变得松弛以后，此酶将切开的链重新连 接，并再一次使DNA的双螺旋结构得到恢复。

拓扑异构酶的功能

拓扑异构酶的功能

不同种类的解旋酶在生化性质上也是不同 的。例如，拓扑异构酶I和III被归类于I型酶， 因为它们通过切割DNA双链中的一条链来 改变DNA的超螺旋，而拓扑异构酶II被归类 于II型酶，因为它对DNA的两条链都切割。
详细的结构和生化数据为理解这些酶如何 完成切割和重新连接DNA的任务提供了依 据。
I型和II型酶都利用酪氨酸上的羟基与DNA磷酸骨
拓扑异构酶的功能
尽管每种拓扑异构酶在哺乳动物DNA代谢 中的分工还不清楚，但是丢失拓扑酶I、IIb （很有可能也包括IIa）、IIIa中的任何一个 都是致命的，表明每种酶都具有不可替代 的作用。
对酵母和哺乳动物细胞的研究都表明拓扑 异构酶I出现在转录复合物和复制复合物中， 说明该酶通常提供RNA和DNA聚合酶沿 DNA前进时所需要的DNA旋转。
架发生转酯化反应。结果是形成一个瞬时的反应 中间产物，涉及到蛋白质与DNA骨架的共价连接。 基于对拓扑异构酶I与DNA组成的复合物进行结构 分析获得的数据，该酶对DNA切割的模型可能如 下图所示。拓扑酶与DNA的连接可能发生在DNA 断裂处的3'末端（拓扑异构酶I），也可能发生在 断裂处的5'末端（拓扑异构酶II）。在拓扑异构酶 I与DNA组成的共价复合物中，DNA缺口的5'末端 的与酶的结合不紧密，这使得被切开的DNA链可 以绕未被切开的链旋转，从而改变DNA超螺旋的 状况。
相反，拓扑异构酶II似乎主要在复制后姐妹 染色单体分离或者染色质重新形成的过程 中发挥作用。IIa和IIb各自特殊的功能还不 清楚，不过它们在细胞核中的位置不同，
在细胞周期调控中的作用也不同。拓扑异 构酶III在哺乳动物中的功能仅局限于推测， 然而酵母中拓扑异构酶III与Sgs1蛋白有关， Sgs1蛋白与在Bloom's和Werner's综合征中分 别参与基因组稳定和成熟的解旋酶蛋白同 源。

DNA拓扑异构酶概述

DNA拓扑异构酶概述

DNA拓扑异构酶综述摘要：DNA拓扑异构酶为催化DNA拓扑学异构体相互转变的酶之总称，是一种见于真核细胞和原核细胞中的重要生物酶，其对DNA转录、复制、染色体分离及基因表达等过程中的DNA 拓扑结构起着重要的调控作用。

研究发现，与正常细胞不同，DNA 拓扑异构酶在肿瘤细胞中表现出不受其他因素影响的高水平表达，而许多抗肿瘤药物的作用机制也与DNA拓扑异构酶密切相关，因此它作为抗肿瘤药物的重要靶点引起了研究者的广泛关注。

此外，科学家们还发现拓扑异构酶在神经发育调节上也起着一定的作用，虽然机制还需要进一步研究，但这一发现就有着重要意义。

本文对DNA拓扑异构酶的反应、结构、分类及生物功能进行了简要的归纳，介绍了DNA拓扑异构酶抑制剂的研究及分类，并对拓扑异构酶在其他方面上的进展进行了简单的介绍。

关键词：DNA拓扑异构酶拓扑异构酶抑制剂抗肿瘤药物生物功能DNA拓扑异构酶（topoisomerase）调控DNA超螺旋状态，它是存在于细胞核内的一类酶，参与DNA复制、重组、转录、修复等核内关键作用，它们能够催化DNA链的断裂和结合，从而影响DNA的拓扑状态。

真核细胞的拓扑结构由两种关键拓扑异构酶拓扑异构酶I和拓扑异构酶II调节，拓扑异构酶I通过形成短暂的单链裂解-结合循环，催化DNA复制的拓扑异构状态的变化；相反，拓扑异构酶II通过引起瞬间双链酶桥的断裂，然后打通和再封闭，以改变DNA的拓扑状态。

哺乳动物中，拓扑异构酶II又可以分为αII型和βII型。

拓扑异构酶的应用也很广泛，如现已知这些酶是很多抗肿瘤药物的细胞内靶酶，在肿瘤细胞中，拓扑异构酶的含量高于正常细胞，所以以其为靶点的抑制具有一定特异性，因此对它的研究也越来越重视。

1、DNA拓扑异构酶 I拓扑异构酶I催化DNA链的断裂和重新连接，每次只作用于一条链，即催化瞬时的单链的断裂和连接，它们不需要能量辅因子如ATP或NAD。

E.coliDNA拓扑异构酶I又称ω蛋白，大白鼠肝DNA拓扑异构酶I又称切刻-封闭酶(nicking-closing enzyme )。

原核生物dna复制需要的酶

原核生物dna复制需要的酶

原核生物dna复制需要的酶DNA复制是生物体生长和繁殖的基础过程之一，也是维持遗传信息传递的重要环节。

原核生物的DNA复制过程相对较简单，但仍然需要一系列的酶类参与。

下面将介绍其中的主要酶类及其功能。

1. DNA聚合酶（DNA polymerase）：DNA聚合酶是DNA复制过程中最重要的酶类之一，其主要作用是在DNA模板上合成新的DNA链。

DNA聚合酶能够识别模板链上的核苷酸，并根据模板链上的碱基配对原则，在新合成链上添加相应的碱基。

原核生物中常见的DNA聚合酶有DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等，其中DNA聚合酶Ⅲ是主要的复制酶。

2. DNA依赖蛋白激酶（DNA-dependent protein kinase，DNA-PK）：DNA-PK是一个复合物，由DNA依赖蛋白激酶亚单位（DNA-PKcs）和DNA结合亚单位（Ku）组成。

DNA-PK在DNA复制过程中起到保护DNA完整性和修复DNA损伤的作用。

它能够结合断裂的DNA 末端，并介导DNA的连接和修复。

3. DNA解旋酶（DNA helicase）：DNA解旋酶是参与DNA复制的另一个重要酶类。

它的主要功能是解开DNA双链的氢键，将DNA双链分离为两条单链。

DNA解旋酶在复制起点上结合，并沿着DNA 链方向进行移动，推动DNA双链的解旋。

4. DNA拓扑异构酶（DNA topoisomerase）：DNA拓扑异构酶主要参与DNA链的拓扑结构调控。

在DNA复制过程中，DNA链会出现超螺旋结构和交叉结构，而DNA拓扑异构酶能够通过剪切、旋转和重新连接DNA链，调整DNA的拓扑结构，保证DNA复制的进行。

5. DNA连接酶（DNA ligase）：DNA连接酶在DNA复制过程中起到连接DNA链断裂的作用。

当DNA链被DNA聚合酶合成后，通常会出现一些断裂的DNA片段，而DNA连接酶能够识别这些断裂片段，并将它们连接起来，形成连续的DNA链。

6. DNA修复酶（DNA repair enzyme）：DNA复制过程中，由于各种原因会导致DNA损伤，而DNA修复酶能够识别和修复这些损伤。

DNA拓扑异构酶

DNA拓扑异构酶
RNA Pol Ⅰ 存在于核仁,催化大分子rRNA的合成; RNA Pol Ⅲ 存在于核质,催化tRNA和小分子 rRNA的合成;
＊RNA Pol Ⅱ
存在于核质,催化hnRNA(mRNA前体分子)的合成。
加工
hnRNA 27
mRNA
（三）底物 ： ----四种三磷酸核糖核苷(NTP)
（四）终止因子( ρ ) ： ----识别终止信号。
5’
随从链
5
（二）参加DNA复制过程的主要酶类
DNA拓扑异构酶（ 拓扑酶，Topo ）
1. 解旋、解链酶类 1） Topo ：
改变超螺旋结构
解链酶类
单链DNA结合蛋白（SSB）
复制前 → 松弛超螺旋 复制后 → TopoII作用下，重新引入 超螺旋（需ATP供能）
2）解链酶 ：
解开氢键，形成两条模板单链；
DNA两条链
需要RNA引物 5ˊ→3ˊ
DNA一条链
不需引物 5ˊ→3ˊ
DNA聚合酶
RNA聚合酶
解旋、解链酶类
引物酶 DNA连接酶 34
（α2ββˊσ）
终止因子(ρ)
DNA和RNA生物合成的比较(2)
复制过程
1. 模板DNA解旋与解链，
转录过程
σ因子辨认起始点,
形成复制叉；
2. 形成引发体， 合成RNA引物； 3. 按A=T、G=C碱基配对 规则，合成DNA； 4. 切除引物、填补空隙、 形成冈崎片段；
多肽链
mRNA
（二） RNA聚合酶 (E.coli )
σ因子：
辨认转录起始点，并与之结合，带 动全酶解开双链，促进转录启动;
RNA 聚 合 酶
（α2ββˊσ）
α2ββˊ（核心酶）：

拓扑异构酶i和ii名词解释

拓扑异构酶i和ii名词解释

拓扑异构酶i和ii名词解释拓扑异构酶I和II名词解释导论在人类体内，存在着一种重要的酶类物质，被称为拓扑异构酶，它在维持DNA的结构和功能中起着至关重要的作用。

本文将对拓扑异构酶I和II进行详细解释，并分析它们在细胞中的功能和影响。

一、拓扑异构酶I的定义和特点1.1 定义拓扑异构酶I（Topoisomerase I）是一种能够介导DNA断裂和连接的酶，它能够调节DNA的拓扑结构，维持DNA的超螺旋状态。

该酶通过在DNA链上切割，松弛或整合 DNA 的连结，帮助细胞进行染色体复制、转录和重组。

1.2 功能拓扑异构酶I具有以下几个主要功能：（1）解旋：在DNA复制和转录过程中，DNA链的双螺旋结构需要解开，以使DNA聚合酶获得访问基因序列的机会。

拓扑异构酶I能够切割一个DNA链未配对部分的DNA，减小其超螺旋的紧张程度，从而实现DNA的解旋。

（2）断链：拓扑异构酶I能够切割DNA链中的磷酸二酯键，从而在DNA链上产生一个短暂的断裂。

这对于染色体重组和机械性拓扑学变化等过程至关重要。

（3）连接：拓扑异构酶I不仅能够断裂DNA链，还能够在适当的时间和位置上重新连接它们，以确保DNA链的完整性。

1.3 影响拓扑异构酶I的功能异常或缺陷可能导致多种疾病的发生和发展。

在肿瘤细胞中，拓扑异构酶I的活性增强可能导致DNA拓扑结构的不稳定，从而促进染色体异常和癌症的发生。

一些抗肿瘤药物，如喜树碱，通过抑制拓扑异构酶I的活性，阻碍了肿瘤细胞的DNA复制和修复，进而抑制了肿瘤细胞的生长和扩散。

二、拓扑异构酶II的定义和特点2.1 定义拓扑异构酶II（Topoisomerase II）是一种双链DNA分子的切割和连接酶，它在DNA复制和细胞分裂中发挥着关键作用。

拓扑异构酶II 可以解开DNA双链，对染色体进行结构改变，并帮助维持染色体的拓扑构型。

2.2 功能拓扑异构酶II的功能主要包括：（1）DNA切割：拓扑异构酶II能够切割DNA的两个链，并且在需要的时候重新连接这些链。

核酸化学2-DNA的结构和特性

核酸化学2-DNA的结构和特性

大部分限制性 内切酶识别的 碱基序列为 6 个碱基的回文 (palindrome ) 序列。它们在 微生物细胞内 扮演的却是防 御外来DNA入 侵的国防军的 作用。如何不 把自身的DNA 也降解了呢？
DNA重组示意图
EcoRI与DNA的复合体
DNA的变性与复性
-人类基因组中重复序列的发现
DNA双螺旋结构模型，不仅与其生物功能有密切关系， 还能解释DNA的重要特性--变性与复性，这对于深入了 解DNA分子结构与功能的关系有重要意义。
环状DNA引发的 拓扑学问题
拓朴学（topology）是专门研究物体 变形后仍然保留下来的结构特性。
噬菌体DNA在不同的生活周期可以以唤醒或线形存在， 线状DNA的两端有粘末端，有助于DNA连接酶将互补 的粘末端连成环状。其中会带来拓朴学的问题。
一段长260 bp的B-DNA，周期数为25，把它们连接成环，此时的 DNA为松弛型DNA。若将上述DNA先拧松2周后再连接成环，可 以形成两种环形DNA，一种称解链环形DNA（螺旋周数23）和 突环。另一种为超螺旋DNA，螺周数仍为25，但同时具有2个超 螺旋周。从力能学看，超螺旋更易形成。超螺旋DNA具有更为 致密的结构，可以将很长的DNA分子压缩在一个较小的体积。 生物体的DNA绝大多数是以超螺旋形式存在的。超螺旋DNA密 度较大，离心场中较线形或开环DNA移动快，凝胶电泳时泳动 的速度也较快。 DNA拓扑异构体之间的转变是通过拓扑异构酶(topoisomerase)来 实现的。
化学裂解法测定DNA的核苷酸序列
DNA的序列测定（1）－化学法
Maxam /Gilbert法
DNA的序列测定（2）－ddNTP法
Sanger法
DNA测序结果
到2030年，预计只要1000 美金就能得到个人的基因组 序列。刷卡看病的时代即将 到来。

DNA超螺旋与拓扑学

DNA超螺旋与拓扑学
。
是开放的 出来
果
,
,
这 种张 力 可 以 通 过 链 的 转 动 而释 放
的 位 置 关 系 具 有 拓 扑性 质 当 对 橡 皮膜 作 各 种 弹 性 操 作如 伸 拉 及
,
将 恢 复到 原 来 的 双 螺 旋 状 态
分 子 的 两 端 是 以某 种 方 式 固 定 的
,
如 或
扭 曲 及 各种 变 形 时
。
,
圆周 与
,
,
的 位 置 关 系 不 是 距 离 始 终保 持 不 变
,
者 是 环 状分 子
这 些 额外 的 张力 就 不 能 释 放 到
仍在 圆 内
仍在 圆 外
分 子之 外 位 置重 排
,
而只能 在
这样 超 螺旋
分 子 内 部 使原 子 的
分 子 本身 就 会扭 曲 !
,
由 两 条 纤 长 的 多核 普酸 链 构 成 们 相 互 盘 绕 而 形 成 的 复 杂 空 间结构
,
除去 木 棒
,
原 来左 手 性 螺
线 管 式 负超 螺旋 此 时 将 转变 成 右 手 性 相 互 盘 绕 式 负 超螺 旋 图
。
链 的周 数 裂
,
。
它 一定 是 整 数
, ,
。
只要
链不 断 是 拓 扑性质
因 此 两 种 负 超螺旋 虽 然 手
。
连环 数 就 保 持不 变
。
因此
性不 同
,
但 本质 是 一 致 的
但 在 体外 目前 还 没 有 办 法 将 线
,
状
的 两端 固 定
,
,
因 此 在 分 离 过 程 中内 部 在 体外 容 易 保 超螺旋
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生竺业尝与生物物理进展1,88年第1,卷第,期

DNA

拓扑学与拓扑异构酶

王理开徐晓利

(中山医科大学生化教研室广

州)

提要生物休内DNA的拓扑态时其生理功能具有重要意义。本文

简述

DNA拓扑学

的墓本知识及拓扑异构酶的概况。

a.‘、产蕊才

一DNA拓扑学

拓扑学是数学的一个分支它研究形状或图象在逐一连续变化时保持不变的性质。此种性质称为拓扑性质。例如在一块橡皮膜上的几何图形,如一个圆,此圆的圆周上的点与圆内某点i及圆外某点。的位置关系具有拓扑性质,当使橡皮膜作各种弹性操作如伸拉扭折及各种变形时,圆周与i及。的位置关系始终保持不变i仍在圆内。仍在圆外。DNA由两股纤长的脱氧核搪核酸链构成,它们相互盘绕而形成复杂的空间结构,也具有拓扑性质。例如两条相互盘绕的闭合环状DNA无论DNA链如何扭曲盘绕或伸拉两链之间相互盘绕的次数也不会改变因此称为拓扑环绕数。Vinograd和Wang对DNA拓扑学的研究作了先驱性工作。前者于1965年提出了DNA超螺旋的概念,后者于19夕1年发现了能改变DNA拓扑态的第一个酶(。一蛋白)其后由于数学家与生物化学家的共同努力使DNA拓扑学的研究获得较大进展。DNA在空间结构上极其复杂用拓扑学方法进行研究有很大优越性表现在:1拓扑性质恒定性双链闭环DNA只要保持不断裂其拓扑性质无论在体内或体外均保持不变;2定量性,DNA结构可用数学进行定量,而且一些拓扑学概念可用带子模型获得直觉的理解;3强力性无论DNA拓扑异构体数量如何巨大都可用数字加以区分。DNA拓扑学主要分打结与解结;连

环与解

连环;超螺旋与松弛等方面。DNA纤长而柔软在空间运动时特别在

复制末期及染色体部位专一性重组时会出现打结。图la是最简单的闭环DNA打结

,呈三

叶草形缚紧。有时则出现更复杂的打结,如

P4

嗜菌体头部DNA由许多双链闭环DNA构成每个闭环DNA含100

碱基对它们呈多样

化打结而使休积不同程度压缩电泳迁移率表现极不均一如果完全解结闭环DNA则呈松弛态,体积增大电泳迁移率减慢并且一致。DNA拓扑异构酶催化DNA的断裂链通过缺

口及链的再连接因而可进行解结。

闭环DNA相互套环则形成连环体如图lb。依套环的DNA数不同,可为二连环体三

连环体……等。闭环DNA的复制末期子链

打结a与连环b34,DNA与母链DNA将形成连环体由于体内存

在DNA拓扑异构酶可催化解连环反应使子

链DNA能与母链DNA分开。锥体虫的动肌体DNA(K一DNA)由许多双链闭环DNA构成它们相互套环形成巨型连环体,而呈网状结构。超螺旋为DNA在双螺旋结构基础上的进一步盘绕扭曲可分为两种(图2)。一种是闭环DNA形成相互盘绕式超螺旋(

Interwound

Supereoil),亦称同向超螺旋(Plectonomie

supereoil)。此种DNA一般较小存在于质

粒线粒体叶绿体和某些病毒DNA中。另一种是螺线管式超螺旋(

Solenoidalsupereoil)

存在于真核细胞染色质中。DNA环绕组蛋白八聚体而构成核小体每个核小体为DNA环绕175圈许多核小体连结成串珠状。真核细胞染色质的DNA超螺旋结构极其复杂经数

级的超螺旋使近两米长的DNA链能压缩至微

小体积而容纳于一个细胞核中。境相似)DNA一般呈B型构象(典型的WatsonCriekDNA结构),每10或104碱基对环绕螺旋轴旋转一周。已知DNA的构象及碱基对长度,可计算出其双链环绕数。牙称为超螺旋数或拧数。在带子模型中螺旋轴拧转的周数即为拧数,也不一定是整数。T,和W是几何性质的量它们可以互相转换而彼此消长。LK称为连环数或拓扑环绕数,是两条相互盘绕的闭环DNA中一条链盘绕另一条链的周数。它一定是整数。只要DNA链不断裂连环数就保持不变因此LK是拓扑性质的量。如其中一条DNA链发生断裂严格地说LK等于o。LK有正负值呈右手螺旋盘绕的DNA规定为正值。在模型系统中将相互盘绕的DNA投影于平面上两链交点总数的一半即为LK。生物体内DNA的LK可通过计算T,与w之和而求得。例如某双链闭环DNA含,00碱基对在体内条件下呈B型构象实验测得其超螺旋数为一25则

LK~T,十评一

5,000

l0

O。0幼心。

困2两种形式超妞旋

a螺线管式超螺旋b相互盘绕式超螺旋

双链闭环DNA超螺旋的拓扑学是研究得较为广泛和深人的。它可用如下方程式描述:LK~T,+W式中T,称为双链环绕数或全绕率是在一定条件下DNA双链环绕螺旋轴旋转的周数。它不一定是整数受环境因素(如湿度离子强度解链剂等)的影响与DNA的构象有关。在高湿度低离子强度条件下(与机体内环+(一25)~475当连环数小于双链环绕数即DNA双链相互盘绕不足(underwound)时产生负超螺旋。当连环数等于双链环绕数时DNA处于松弛态不产生超螺旋。当链环数大于双链环绕数,即DNA双链相互盘绕过度(Overwound)时,产生正超螺旋。至今测得的自然界存在的DNA均为负超螺旋。双链闭环DNA的相互盘绕式负超螺旋是右手性的。读者可作如下简单的模型操作而获得直觉理解。取一根长而稍扁的橡皮条代表双股螺旋DNA(橡皮两边各代表DN人单链)当连环数等于双链环绕数时,橡皮不扭转而将两端连接起来此时形成松弛态闭环DNA。当连环数小于双链环绕数即双螺旋处于盘绕不足时,应将橡皮条一端固定,另一端按顺时针方向(左手性旋转)扭转若干次,然后将两端连接起

来此时可见橡皮条呈右手性相互盘绕式超螺

348旋。相反,当连环数大于双链环绕数时,橡皮条一端固定另一端按上述相反方向扭转,然后将两端连接起来,可得左手性相互缠绕式正超螺旋。真核细胞染色质的DNA亦处于负超螺旋态,但它环绕核小体是呈左手性的螺线管式(或间歇螺线管式)超螺旋。这与双链闭环DNA的右手性相互盘绕式负超螺旋并不矛盾。读者可通过如下的模型操作而获得直觉理解。仍用一根橡皮条代表双股螺旋DNA,将橡皮条一端固定另一端顺时针扭转(代表负超螺旋)若干次然后可按左手性环绕于一圆柱形木棒上(类似DNA环绕核小体)橡皮扁面可紧贴木棒表面旋转而不呈现橡皮自身的扭转再将橡皮两端连接起来除去木棒原来左手性螺线管式负超螺旋此时将转变成右手性相互盘绕式负超螺旋如图3所示。因此两种负超螺旋虽然手性不同但本质是一致的。绕数),△。代表两者之差(相当于超螺旋数)

。

△。~。一a0或。‘砂干△。澳乙旋是个平面分子能与DNA结合,嵌人DNA双链之间而使DNA螺旋解开因而可

降低双链环绕数。初期认为每个澳乙咤分子可

使螺旋解开12“,后来用电泳粘度法等确定每

个澳乙淀可使螺旋解开26。14个左右澳乙咤可解开一圈DNA螺旋。随着负超螺旋逐渐被

解开其沉降速度亦逐渐减小当DNA过渡至松弛态时其沉降速度减至最小,进一步增加澳乙吮浓度,DNA则转变成正超螺旋,此时沉降

速度又逐渐增加如图4。

娜10州世岭

J弓

.卜

嘴代爪犷飞犷亩飞犷扁

镇乙咤浓度声g/m】

日4边乙吮浓度与闭环ONA沉降速度关系随着改乙淀浓度增加,DNA负趣螺旋向

正超螺旋过渡可从方程式的计算证明。例如

在上述同一例的双链闭环DNA,含5.0.e碱基对连环数为475超螺旋数为一25。现向该

DNA溶液加人某一浓度的澳乙淀,原来DNA

链每10碱基对互绕一圈可松解为每1碱基对互绕一圈此时

超螺旋数~连环数一双链环绕数L少火少

圈3负超坛旋由左手性蛛线苦式(

a)转变成右手性相互盘绕式(b)另一些学者用方程式a~声+r描述双链闭环DNA的拓扑学与上述方程式意义相同。为DNA拓扑环绕数,声为双链环绕数r为超螺旋数。早期文献中还用‘代表连环数,砂代表松弛态时两链相互盘绕数(相当于双链环~475

_互

*+

20

由计算可知原来负超螺旋DNA由于澳

乙吮浓度增加已转变成正超螺旋。必须指出,在这种转变过程中,DNA没有断裂LK

保持

不变故DNA的拓扑性质没有改变若除去溶

液中的澳乙咤,DNA将恢复为原来的负超螺