1. No category

© 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