Technion - Israel Institute of Technology
Transcription
Technion - Israel Institute of Technology
© Technion - Israel Institute of Technology, Elyachar Central Library תקציר 1 .1מבוא ורקע ספרותי 2 .1.0מחזוריות של 1011בסיסים ברצפי הגנומים 2 .1.1הנוקלאוזום סקירה 3 .1.2הדנ"א הנוקלאוזומלי 6 .1.3דנ"א לינקר ומבנה 3Onm fibern 8 .1.4ספציפיות ארגון הנוקלאוזומים 12 .1.5מטרות העבודה 14 .2שיטות העבודה 15 .2.1חישוב התפלגות מרחקים 15 .2.2חישוב התפלגות מרחקים כתלות במסגרת הקריאה 16 .2.3עיבוד הסיגנל 17 .2.4אמידת משרעת ומחזוריות של הסיגנל 18 .2.5רצפי בקרה 19 .2.6חישוב המחזוריות המבנית של הדנ"א הנוקלאוזומלי \2 2.1מיפוי הנוקלאוזומים לאורך רצף הדנ"א 22 .3תוצאות העבודה 23 .3.1תבנית ברצף הדנ"א המשמשת למיקום נוקלאוזומים בשמר :דקונבולוציה מרצף של הגנום cerevisiae S. 24 .3.2סלקטיביות האות השלישית של הקודונים לשם יצירת חזרות הליקליות ברצפי פרוקריוטים 42 .3.3שלושה חוקים לארגון הנוקלאוזומים 60 .3.4התאחיזה שבין מבנה שניוני של חלבונים למיקום ספציפי של נוקלאוזומים 78 .4דיון והסקת מסקנות 94 רשימת מקורות 99 © Technion - Israel Institute of Technology, Elyachar Central Library תוכו העניינים טבלה .1השוואת עוצמת החזרות ההליקליות של 16הדינוקלאוטידים 31 טבלה .11רשימת הגנומים שנעשה בהם שימוש במסגרת מאמר זה 44 ציור .1 רמות ארגון הכרומטין באיוקריוטים 3 ציור .2מבנה הנוקלאוזום 5 ציור .3מבנה הדנ"א הנוקלאוזומלי 7 ציור .4מודל לאורינטציה המרחבית של נוקלאוזומים ■ 9 ציור .5מודל לאופן הארגון של ה 30nm ifber 11 ציור .6תאור סכמטי של תבנית הרצף של ) Ioshikhes et al. (1996למיקום נוקלאוזום 14 ציור .7דינוקלאוטידים בשלושת מסגרות הקריאה 16 ציור .8שלבים בעיבוד סיגנל 17 ציור .9אילוסטרציה של שיטת ערבוב הדינוקלאוטידים ברצף 19 ציור .10אילוסטרציה של שיטת ערבוב הקודונים 20 ציור .11איור של דנ"א דו גדילי 21 ציור .12היסטוגרמות מרחקים עבור דינוקלאוטידים AAו TT 29 ציור .13רכיבי התנודה של היסטוגרמות המרחקים אשר חושבו עבור 16סוגי הדינוקלאוטידים 32 ציור .14אוטו וקרוס קורלציות עבור דינוקלאוטידים AAו TT 33 ציור .15מודל לפילוג הדינוקלאוטידים AAבנוקלאוזום 35 ציור .16התפלגות אורכי הלינקר עבור הנוקלאוזומים הממופים ברצף השמר 37 ציור .17תבנית רצף למיקום הנוקלאוזומים 38 ציור .18היסטוגרמת מרחקים עבור דינוקלאוטידים TT/AAבגנומים של איובקטריה 48 ציור .19רכיבי התנודה של היסטוגרמות המרחקים עבור דינוקלאוטידים TT1 AA באזורים מקודדים של האיובקטריות 49 ציור .20רכיבי התנודה של היסטוגרמות המרחקים עבור דינוקלאוטידים 117 AA בשלושת מסגרות הקריאה של גנים איובקטריילים ציור .21רכיבי התנודה של 52 היסטוגרמות המרחקים עבור דינוקלאוטידים TT1 AA באזורים מקודדים של Archaea ציור .22פונקציות קורלציה עבור דינוקלאוטידים 117 AA 54 66 © Technion - Israel Institute of Technology, Elyachar Central Library רשימת טבלאות וציורים ציור .23רכיבי התנודה של היסטוגרמות המרחקים עבור דינוקלאוטידים AAוידד בשלושת מסגרות הקריאה של גנים 69 ציור .24רכיבי התנודה של היסטוגרמות המרחקים עבור ""AA or TT 71 ציור PP distances .25של דנ"א נוקלאוזומלי 73 ציור .26התפלגות אורכים של לינקר דנ"א 74 ציור .27היסטוגרמת מרחקים עבור דינוקלאוטידים AAויךך בגנום cerevisia S. 83 ציור .28היסטוגרמות מרחקים עבור דינוקלאוטידים TT7 AAבשלושת מסגרות הקריאה 84 ציור .29סקלות של מידת ההידרופוביות של חומצות אמינו 85 ציור .30היסטוגרמות מרחקים עבור קודונים של חומצות אמינו FLIV1 KNEQ 87 ציור .31היסטוגרמות מרחקים עבור קודונים של חומצות אמינו FLIV1 KNEQבאזורים הליקלים ולא הליקלים 88 ציור Interhelical correlation .32עבור חומצות אמינו FLIV1 KNEQ 90 ציור .33היסטוגרמות מרחקים עבור קודונים של חומצות אמינו FLIV1 KNEQבבעלי חוליות 92 ציור .34היסטוגרמות מרחקים עבור חומצות אמינו FLIV1 KNEQבאזורים הליקלים 93 © Technion - Israel Institute of Technology, Elyachar Central Library רשימת טבלאות וציורים )המשי( אופן ארגון הדנ"א בתא מהווה חלק מהותי במנגנוני שכפול ובקרת שעתוק הדנ"א .היחידה הבסיסית בארגון הדנ"א ביצורים אאוקריוטים ) (eukaryotesהנה הנוקלאוזום ) .(nucleosomeהנוקלאוזום מורכב בעיקרו מקומפלקס חלבוני בשם היסטוןאוקטמר ) (histoneoctamerומולקולת דנ"א הכרוכה סביבו .מאחר והתכונות הפיסיקליות של סליל הדנ"א תלויות ,בין השאר ,ברצף הדנ"א ,הרי שחוזק הקישור להיסטוןאוקטמר הינו תלוי רצף .במסגרת ניסויי ,SELEXנמצא שישנם מוטיבים ברצף המשפיעים במיוחד על ה"עלות האנרגטית" של כיפוף הדנ"א .בשל המבנה המחזורי של סליל הדנ"א ,בו סיבוב מושלם כל 1011בסיסים, יתכן וקיימות תבניות חזרה של מוטיבים ברצף ) (sequence pattenrsהמקנות לדנ"א תכונות של "intirnsic " DNA curvatureו/או " "anisotropic lfexibilityכך שכיפוף לכיוון אחד מבין 1011האפשרויות יהיה מועדף מסיבה אנרגטית .הופעה לא אחידה ברצף ) (nonuniform distirbutionשל תבנית כזאת יתכן ואף יכולה למקם ספציפית נוקלאוזום ,תופעה הנקראת בספרות ""translational nucleosome positioning ובעבודה ."nucleosome positioning"1T איתור תבניות חזרה ברצף הדנ"א הקשורות לארגונם הספציפי של הנוקלאוזומים הייתה מטרת עבודה ביוחישובית ) (computational biologyזו ,אשר עסקה באנליזת רצפים בקנה מידה גנומי. טרם מחקרנו ,תבנית הרצף ) (sequence patternהעיקרית אשר נמצאה קשורה למיקום נוקלאוזומים ) (nucleosome positioningהייתה זו אשר אותרה במסגרת עבודתם של ).Ioshikhes et al. (1996 Ioshikhes et al.מצאו שדינוקלאוטידים ) AA (dinucleotidesו TTנוטים להופיע במרווחים של 1011 בסיסים )כלומר במחזור הופעה של 1011בסיסים( ,תוך שמירה על פאזה של כחצי מחזור ) 56בסיסים(, להלן ' ,'counterphaseבין דינוקלאוטידים AAו .TTתבנית חזרה זו של דינוקלאוטידים TT1 AAתיקרא במסגרת חיבור זה ) counterphase patternלהלן 'תבנית פאזה מנוגדת'( .בשלב ראשון של עבודת מחקר זו בדקנו האם תבנית פאזה מנוגדת של TT7 AAקיימת ברצפי גנומים של אאוקריוטים .להלן תקציר ממצאינו: כמתואר בפרק ,3.1נמצא שתבנית רצף זו )תבנית פאזה מנוגדת של AAו'1י (7דומיננטית בעוצמת הופעתה ביחס לסיגנלים אחרים ברצף הדנ"א .מיפוי חישובי של הנוקלאוזומים בעזרת תבנית זו חשפה תופעה מעניינת: תבנית הרצף למיקום הנוקלאוזום מכתיבה את התפלגות אורכי הלינקר דנ"א ) =linker DNAמקטע הדנ"א המחבר בין נוקלאוזומים שכנים( .תופעה זו הינה מתמטית גרידא ומתקיימת גם אם ניקח רצף אקראי .מיפוי 1 © Technion - Israel Institute of Technology, Elyachar Central Library תקציר מחזור שלם ) 1011בסיסים( וכתוצאה הימנעות מאוריינטציה מרחבית מקבילה בין נוקלאוזומים סמוכים ).(adjacent nucleosomes בנוסף לתבנית פאזה מנוגדת ) (counter phase patternשל דינוקלאוטידים AAו TTבה AAמופיע בפאזה של כחצי מחזור מ!"! ,נמצאה נטייה ) (tendencyלהופעת תבנית רצף נוספת בה AAמופיע בפאזה של מחזור שלם ) 1011בסיסים( מדד ,להלן 'תבנית שוות פאזה' ).(inphase שתי התבניות ,תבנית פאזה מנוגדת ותבנית שוות פאזה ,נמצאו הן ברצפי גנומים של אאוקריוטים והן ברצפי גנומים של פרוקריוטים ) ,{archaeaA eubacteira =prokaryotesאך נבדלו במחזור )(peirod תבנית הרצף .מחזור ההופעה של דינוקלאוטידים 7T; AAבאאוקריוטים הוא 10.4בסיסים ,באאובקטריה ){eubacteria כ 11 בסיסים ובארכיאה ) (archaeaכ 10בסיסים .ההבדלים במחזור ככל הנראה נובעים מאופן ארגון הדנ"א בתא. מכיוון שדנ"א חופשי הינו בעל מחזור של 10.55בסיסים ,נשאלה השאלה האם המחזור של 10.4 בסיסים המחושב מתוך רצפי הדנ"א האאוקריוטים למעשה נובע מארגון הדנ"א בנוקלאוזומים ,כפי שכבר הוצע בעבר .התשובה על כך שנויה במחלוקת .מחישוב המרחקים בין פוספטים ) (phosphatesלאורך שילדת הדנ"א הנוקלאוזומלי )פרק ;3.3הקואורדינטות נלקחו ממאגר המידע למבנים מפוענחים ,(pDBנמצא שאכן המחזור הממוצע הפיסיקלי של סליל הדנ"א הנוקלאוזומלי הינו 10.4בסיסים ולכן תבניות רצף בעלות מחזור של 10.4 בסיסים ככל הנראה קשורות לארגון הדנ"א בנוקלאוזומים. ממצאים באשר למקור תבניות הרצף )תבנית פאזה מנוגדת ותבנית שוות פאזה( מתוארים בפרקים .3.23.4כמתואר בפרקים 3.2ו ,3.3נמצא שתבנית שוות פאזה ) (inphase patternשל דינוקלאוטידים AAודד באזורים המקודדים לחלבון ) (coding regionsנוצרת בעיקרה ע"י הופעה סלקטיבית של נוקלאוטידים Aו Tבמיקום השלישי של הקודונים ) .(3rd codon positionsממצא זה מהווה הוכחה לכך שהאות השלישית של הקודונים אינה ניטרלית ,כפי שמקובל היה לחשוב .באשר לתבנית פאזה מנוגדת של דינוקלאוטידים AAוירד ,נמצא שמקורה בתבנית קידוד למבנים שניוניים הליקליים אמפיפתיים ) .(amphipatic helicesהקודונים המכילים דינוקלאוטיד AAמקודדים לחומצותאמינו הידרופיליות ) (hydrophilicבעוד הקודונים המכילים דינוקלאוטיד TTמקודדים לחומצות אמינו הידרופוביות n © Technion - Israel Institute of Technology, Elyachar Central Library חישובי של הנוקלאוזומים בעזרת תבנית רצף פאזה מנוגדת גורר הימנעות מאורכי לינקר דנ"א של כפולות הידרופוביות באזורים המקודדים למבנה שניוני הליקלי ,דהיינו ,מבנה שניוני הליקלי בעל תכונות אמפיפתיות )' .(amphipatic helicesמהווה מקור לתבנית פאזות מנוגדות ) (counterphase patternשל דינוקלאוטידים AAו .TTבאאוקריוטים להבדיל מאאובקטריות ) ,(^bacteriaנמצא שהמרחק בין תבניות פאזה מנוגדת שמקורן ממקטעים הליקלים (neighboring helical wg/omjovjifoנוטה להיות בכפולות של פאזה שלמה, דהיינו ברמת הדנ"א בכפולות של 1011בסיסים .מכאן ,שאם תבנית פאזה מנוגדת הבאה ממקטע הליקלי אחד גורמת להעדפה אנאיזוטרופית של אותו מקטע דנ"א לכיוון מסוים ,הרי שאותו כיוון נשמר גם עבור תבנית פאזה מנוגדת הבאה מהמקטע ההליקלי הסמוך .סינכרון זה בין שתי התבניות מאפשר ארגון שני מקטעי הדנ"א לנוקלאוזום אחד .תאחיזה זו בין תבנית למיקום נוקלאוזום )תבנית פאזה מנוגדת של דינוקלאוטידים AAוידד( לבין תבנית לקידוד מבנה שניוני הליקלי יתכן שהיא משמשת למיזעור תדירות מוטציות באזורי דנ"א המקודדים למבנים הליקליים אמפיפתיים ,הידועים כבעלי חשיבות מכרעת לאופן קיפול החלבון .ישנם חיזוקים בספרות לטענה שדנ"א המלופף על ההיסטוןאוקטמר חשוף פחות למוטגנים .רוב ממצאינו ,באשר לתבניות ברצף הדנ"א המקודדות למיקום נוקלאוזומים ואופן חפיפתן לסיגנלים אחרים תוך שימת דגש לקידוד חלבון ,פורסמו והם משמשים בעיקר למיפוי חישובי של הנוקלאוזומים .באשר למשמעות התאחיזה בין התבנית המקודדת למיקום נוקלאוזומים לתבנית המקודדת למבנים שניוניים הליקליים ,נושא זה נחקר כעת. ni © Technion - Israel Institute of Technology, Elyachar Central Library ( nsarirn .(hydrophobicלסירוגין ) (altenrationשל חומצות אמינו הידרופיליות וחומצות אמינו