Залежність фізичних властивостей нуклеотидів і промоторів від їхніх функціональних і еволюційних характеристик - Автореферат

Вивчення можливих залежностей фізичних властивостей нуклеотида від його положення в кодоні та його здатності однозначно визначати амінокислоту (ступеня детермінації) є важливим напрямком досліджень у сучасній біофізиці. Знання перелічених закономірностей і залежностей дає змогу зрозуміти енергетичні характеристики генетичного коду та зробити висновок про те, чи впливають та як впливають фізичні (енергетичні) властивості промоторів на їхню біологічну активність. Вивчення фізичних характеристик нуклеотидів і промоторів потрібне для розуміння структури ДНК і впливу різних типів радіоактивного випромінювання на біологічні обєкти та живі організми, розробки методів їхнього захисту від опромінення, чим і визначається актуальність проведених у дисертації досліджень. Дослідження, які являють собою основу дисертаційної роботи, важливі для прикладної ядерної фізики і проведені відповідно до державних науково-дослідних програм, які виконувалися в Інституті високих енергій і ядерної фізики ННЦ ХФТІ НАН України: Програма проведення фундаментальних досліджень з атомної науки і техніки ННЦ ХФТІ до 2005 року, затвердженої розпорядженням Кабінету Міністрів України від 13.09.2001 р., № 421-р, № держреєстрації 0809UP0009 від 08.10.2001 р. Результати цих розрахунків довели, що дипольний момент практично не залежить від положення нуклеотида в кодоні та його ступеня детермінації, теплота утворення залежить тільки від положення нуклеотида в кодоні, а енергія найбільш стійкої конформації залежить як від положення нуклеотида в кодоні, так і від його ступеня детермінації.На ділянці довжиною 10 нуклеотидів (довжина вікна), яка міститься на початку промотора (початкова позиція вікна), окремо підсумовувався вміст AT-пар та енергія взаємодії нуклеотидів, після чого оцінювалися середні значення цих параметрів. У дисертаційній роботі досліджувалося питання про розбиття всіх 106 промоторів на групи або кластери по ступеню схожості їхньої структури з консенсусною послідовністю (тут розглядалися також і «слабкі» промотори). З цієї таблиці видно, що залежності середньої сили промотора в кластері від середньої по кластеру енергії взаємодії ланцюгів ДНК у всьому промоторі, в-35 і в 7 послідовностях є подібними та мають форму параболи. Це означає, що кластери з найбільш сильними промоторами мають низькі величини середньої енергії, а кластери, які містять промотори з найбільшою енергією взаємодії ланцюгів ДНК, мають мінімальну середню силу. Для кожної з груп промоторів були визначені середні величини енергії взаємодії нуклеотидів у блоці Прібнова (у першому випадку) і в-35 послідовності (у другому випадку), а також була визначена середня величина сили промотора в кластері (для обох випадків).2.На основі аналізу груп (кластерів) промоторів по розподілу енергії звязку ниток ДНК в областях-55,-35,-10 і 7 нуклеотидних позицій стосовно точки старту транскрипції доведено, що розподіл енергії в цих областях повязаний з функціональною активністю промотора. Залежність середньої сили промотора від його середньої енергії в кластері має принаймні один екстремум у випадках-55,-35 і 7 послідовностей, однак у випадку-10 послідовності ця залежність є монотонною. 3.Знайдено, що блоки Прібнова (-10 послідовності) промоторів, які регулюються сигма-факторами 28, 38 і 54, мають мінімальну кількість відмінностей у нуклеотидному складі з блоками Прібнова промоторів, що регулюються іншими типами сигма-факторів. 4.На основі аналізу збігів нуклеотидних пар у блоках Прібнова доведено, що мінімальна кількість відмінностей по цьому параметру з блоками Прібнова промоторів, які регулюються іншими сигма-факторами, мають промотори, що регулюються сигма-факторами 54 і 70, а максимум - промотори, які регулюються сигма-фактором 24. На основі здобутих даних зроблено висновок, що промотори, які регулюються сигма-факторами 38, 54 і 70, еволюційно є старшими, ніж промотори, що регулюються сигма-факторами 24 і 32.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертаційній роботі була розвязана поставлена наукова задача визначення та дослідження можливих закономірностей між фізичними властивостями нуклеотидів і їхнім положенням у кодоні та ступенем детермінації, а також між фізичними властивостями промоторів та їхньою біологічною активністю. Основні наукові результати є такі: 1.Виявлено, що розподіл енергії по всій довжині промотора має екстремуми на позиціях -35, -10 і 7 стосовно точки ініціації транскрипції. Цей результат не залежить від орієнтації промотора в геномі. Знайдено, що склад -55 послідовності повязаний з функціональною активністю промотора.

2.На основі аналізу груп (кластерів) промоторів по розподілу енергії звязку ниток ДНК в областях -55, -35, -10 і 7 нуклеотидних позицій стосовно точки старту транскрипції доведено, що розподіл енергії в цих областях повязаний з функціональною активністю промотора. Залежність середньої сили промотора від його середньої енергії в кластері має принаймні один екстремум у випадках -55, -35 і 7 послідовностей, однак у випадку -10 послідовності ця залежність є монотонною.

3.Знайдено, що блоки Прібнова (-10 послідовності) промоторів, які регулюються сигма-факторами 28, 38 і 54, мають мінімальну кількість відмінностей у нуклеотидному складі з блоками Прібнова промоторів, що регулюються іншими типами сигма-факторів.

4.На основі аналізу збігів нуклеотидних пар у блоках Прібнова доведено, що мінімальна кількість відмінностей по цьому параметру з блоками Прібнова промоторів, які регулюються іншими сигма-факторами, мають промотори, що регулюються сигма-факторами 54 і 70, а максимум - промотори, які регулюються сигма-фактором 24. На основі здобутих даних зроблено висновок, що промотори, які регулюються сигма-факторами 38, 54 і 70, еволюційно є старшими, ніж промотори, що регулюються сигма-факторами 24 і 32.

5.Результати розрахунків дипольного моменту, теплоти утворення та енергії найбільш стійкої конформації нуклеотида, який взаємодіє з двома іншими нуклеотидами в триплеті довели, що дипольний момент практично не залежить від положення нуклеотида в кодоні та його ступеня детермінації. У той же час теплота утворення залежить тільки від положення нуклеотида в кодоні, а енергія найбільш стійкої конформації залежить як від положення нуклеотида в кодоні, так і від його ступеня детермінації.

6.У дисертації вперше розраховані дипольний момент, теплота утворення та енергія найбільш стійкої конформації нуклеотидів, які перебувають у водяному розчині, при врахуванні його безпосередньої взаємодії з шістьма найбільш близькими молекулами води, які його оточують. Цей результат є важливим, оскільки в природі ДНК зустрічається, як правило, у водяному розчині, що має відображатись у розрахунках. Здобуті результати довели, що характер залежностей фізичних параметрів нуклеотидів у цьому випадку є приблизно таким же самим, як тоді, коли кодон не перебуває у водяному розчині, але величини фізичних параметрів не збігаються з їхніми значеннями в згаданому раніше випадку.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Berezhnoy A.Y. Dependence of nucleotide physical properties on their placement in codons and determinative degree. / Berezhnoy A.Y., Duplij S.A // Journal of Zhejiang University SCIENCE. - 2005. - V.6B. - №.10. - P.948-960.

2.Berezhnoy A.Y. Dependence of E. coli promoter strength and physical parameters upon the nucleotide sequence. / Berezhnoy A.Y., Shckorbatov Y.G // Journal of Zhejiang University SCIENCE. - 2005. - V.6B. - №. 11. - P.1063-1068.

3.Бережной А.Ю. Зависимость физических свойств нуклеотидов, находящихся в водном растворе от их положения в кодоне и степени детерминации. / Бережной А.Ю., Дуплий С.А. // Біофізичний Вісник. - 2007. -Т.1. - Вип. 18. - С.29-47.

4.Shckorbatov Y.G. Regularities in the E. Coli promoters composition in connection with the DNA strands interaction and promoter activity. / Shckorbatov Y.G., Berezhnoy A.Y. // J. of Zhejiang University SCIENCE. - 2006. - V.7. - №. 12. - P.969-973.

5.Шкорбатов Ю.Г. Энергия взаимодействия цепей ДНК в промоторах E. coli в связи сих функциональной активностью. / Шкорбатов Ю.Г., Бережной А.Ю. // - Біофізичний Вісник. - 2006 - Т.1. - Вип.17. - С.42-47.

6.Зависимость физических свойств нуклеотидов от их положення в кодоне и степени детерминации: материалы Международной научной конференции «Каразинские естественнонаучные студии» / Бережной А.Ю., Дуплий С.А. - Харьков, 2004. - С.207-208.

7.Dependence of physical properties of nucleotides solute in water on their placement in codons and determinative degree: 2nd International Conference on Quantum Electrodynamics and Statistical Physics, Book of Abstract / Berezhnboy A.Y., Duplij S.A. - Kharkov, 2006. - P.146.