Анализ специфичности расщепления ДНК ультразвуком

• Автор: Нечипуренко, Дмитрий Юрьевич
• Шифр специальности: 03.01.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 90 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1 Подходы к изучению контекстно-зависимых физико-химических
свойств ДНК
1.2 Физика упругих растяжений ДНК
1.3 Расщепление полимеров под действием ультразвука
Глава 2. Ультразвуковое расщепление ДНК: обработка и анализ экспериментальных данных
2.1 Описание эксперимента и процедуры обработки экспериментальных данных
2.2 Характерные свойства ультразвукового расщепления ДНК
2.3 Статистический анализ специфичности расщепления ДНК ультразвуком
Глава 3. Моделирование расщепления фрагментов ДНК под действием акустической кавитации
3.1 Моделирование динамики кавитационного пузырька
3.2 Моделирование взаимодействия фрагмента ДНК с кавитационным течением
3.3 Моделирование кинетики расщепления фрагментов ДНК
под действием акустической кавитации
3.4 Обсуждение
Глава 4. Подходы к интерпретации специфичности расщепления ДНК ультразвуком
4.1 Особенности конформационной динамики В- формы ДНК
4.2 Влияние конформационной подвижности дезоксирибозы на эффективность ультразвукового расщепления ДНК
4.3 Обсуждение
Глава 5. Исследование особенностей ультразвукового расщепления функциональных областей ДНК
5.1. Особенности ультразвукового расщепления ДНК Х-фага
5.2 Применение данных по специфичности ультразвукового
расщепления ДНК для анализа промоторных областей генома человека
Основные результаты и выводы
Литература
Публикации по теме диссертации
Благодарности
Введение
Актуальность проблемы
В процессах функционирования ДНК в живой клетке существенную роль играют взаимодействия ДНК с белковыми комплексами и другими лигандами. Эти взаимодействия, как правило, реализуются по принципу «узнавания» молекулами -лигандами определенных сайтов молекулы ДНК.
Среди множества видов ДНК - белкового узнавания выделяют два принципиально различных типа - это так называемое «прямое» и «непрямое» узнавание. В случае «прямого» узнавания белок распознает определенную последовательность пар оснований ДНК, образуя с их функциональными группами сеть контактов, присущую только данной последовательности нуклеотидов и соответствующую геометрии белковой молекулы. В случае же «непрямого» узнавания избирательность связывания белковой молекулы с ДНК определяется локальными и зависящими от нуклеотидной последовательности конформационно-динамическими характеристиками ДНК - такими как гибкость, термодинамическая стабильность двойной спирали, её геометрия, подвижность определенных молекулярных групп и т.п. Таким образом, зависимость локальных конформационно-динамических свойств от последовательности пар оснований в ДНК играет важнейшую роль при функционировании молекулы ДНК в клетке. Поэтому, изучение контекстно-зависимых конформационных и динамических свойств молекулы ДНК является одной из важнейших задач молекулярной биофизики.
Существует ряд экспериментальных подходов к изучению структурных свойств молекулы ДНК. Для исследования влияния последовательности нуклеотидов на конформацию ДНК применяются методы рентгеноструктурного анализа, ЯМР, и ИК -спектроскопии. Экспериментальные данные о гибкости молекулы ДНК получают при помощи анализа её подвижности в геле и исследуя расщепление ДНК неспецифичпыми эндонуклеазами, а изменения геометрии малой бороздки двойной спирали вдоль ДНК изучают методами химического расщепления молекулы гидроксильными радикалами и другими химическими агентами.

При помощи перечисленных экспериментальных методик достаточно сложно извлечь информацию о динамических характеристиках изучаемых фрагментов ДНК. Здесь на помощь приходят методы молекулярного моделирования: молекулярная динамика, метод Монте-Карло, а также квантово-химические расчеты.
В Институте молекулярной биологии РАН в настоящее время развивается новый экспериментальный метод, позволяющий изучать конформационно-динамические свойства двойной спирали ДНК. Метод основан на анализе картин расщепления фрагментов ДНК под действием ультразвука высокой интенсивности. Контекстная специфичность расщепления, то есть зависимость профилей ультразвукового расщепления фрагментов ДНК от их нуклеотидной последовательности, позволяет изучать влияние последовательности пар оснований в ДНК на ее структурные свойства в масштабах от нескольких десятков до сотен нуклеотидов.
Явление контекстной специфичности разрывов ДНК под действием ультразвука представляет несомненный научный интерес как дополнительный источник информации о контекстно-зависимых характеристиках ДНК. Тем не менее, физика этого явления практически не изучена, что вызывает серьезные трудности при попытке интерпретации полученных результатов.
Анализ и моделирование расщепления ДНК ультразвуком, которым посвящена данная работа, необходимы для более глубокого исследования физики этого процесса с целью дальнейшего применения и развития основанной на этом явлении методики изучения конформационно-динамических свойств ДНК.
Цели и задачи диссертационной работы
Целью данного исследования являлось выявление основных закономерностей процесса расщепления ДНК под действием ультразвука, разработка физических моделей, адекватно описывающих характерные особенности этого явления и применение полученных данных по расщеплению ДНК для анализа функциональных участков ДНК человека. Для достижения этих целей решались следующие основные задачи:
- установить характерные особенности расщепления ДНК ультразвуком;
- провести анализ контекстной специфичности расщепления;
- разработать модель, описывающую процесс расщепления фрагментов ДНК;
- сравнить полученные теоретические результаты с экспериментальными;

Таблица 1. Значения выборочных характеристик относительных частот ультразвукового расщепления динуклеотидов.
Обозначения:
N - объём выборки;
К - средняя величина; ,
5 - стандартное отклонение;
N К
АА 1636 0.919 0.
АС 1076 0.913 0.
АЄ 1028 0.900 0.
АТ 1374 0.904 0.
СА 1265 1.160 0.209 і
СС і 1141 1.007 0.
св 1230 1.444 0.
ст 1077 1.130 0.
ОА 1153 0.970 0.
вс 1317 0.954 0.
вс ; 1168 0.922 0.
вт 1101 0.952 0.
ТА 1065 0.973 0.120 ; і
ТС 1173 0.912 0.131 1
те 1305 0.979 0.126 !
ТТ і 1672 . 0.932 0.127 і і