Анотація до роботи:

Сиволоб А.В. Молекулярні механізми структурної динаміки хроматину. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук за спеціальністю 03.00.02 – біофізика. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2005.

Представлено експериментальні та теоретичні результати досліджень механізмів нуклеопротеїнових взаємодій у складі хроматину та конформаційної динаміки нуклеосом і хроматину в залежності від топологічного стану циркулярної ДНК. Розроблено теорію взаємодії позитивно заряджених лігандів з ДНК. Показана важлива роль асиметричної нейтралізація зарядів ДНК у стабілізації нуклеосоми. Розвинуто теорію позиціювання нуклеосом відносно послідовності пар основ ДНК, яка дозволяє передбачати переважні нуклеосомні позиції з точністю до 10 пар основ. Для нуклеосоми та інших нуклеогістонових комплексів охарактеризовані певні конформаційні стани, які реалізуються у фізіологічних умовах та залежать від рівня надспіралізації циркулярної ДНК. Згідно отриманих результатів, головним загальним наслідком утворення нуклеопротеїнових комплексів хроматину є, поряд із компактизацією, значне підвищення конформаційної рухливості ДНК. Ця рухливість, що вона зумовлена змінами балансу різноманітних міжмолекулярних взаємодій та залежить від послідовності пар основ ДНК і посттрансляційних модифікацій гістонів, дає можливість вибірково активувати певні ділянки геному при збереженні загальної щільної упаковки ДНК у клітинному ядрі.

1. Головним загальним наслідком утворення нуклеопротеїнових комплексів хроматину є, поряд із компактизацією, значне підвищення конформаційної рухливості ДНК. Ця рухливість, що вона зумовлена змінами балансу різноманітних міжмолекулярних взаємодій та залежить від послідовності пар основ ДНК і посттрансляційних модифікацій гістонів, дає можливість вибірково активувати певні ділянки геному при збереженні загальної щільної упаковки ДНК у клітинному ядрі.

2. Запропонована теорія електростатичних взаємодій позитивно заряджених лігандів з ДНК, яка базується на використанні рівняння Пуассона-Больцмана для зарядженого циліндра та дозволяє оцінювати значення електростатичного внеску у вигин ДНК, загальну електростатичну енергію полііону, константи зв’язування позитивно заряджених білків з ДНК.

3. Теоретичний аналіз, проведений на підставі теорії електростатичних взаємодій, вказує, що конформаційна динаміка нуклеосоми зумовлена можливістю руйнування електростатичних контактів кінцевих ділянок ДНК із гістонами та (або) контактів димера гістонів Н2А-Н2В з тетрамером (Н3-Н4)₂.

4. В рамках теоретичної моделі ДНК як ізотропного еластичного стержня показано, що залежні від послідовності пар основ еластичні властивості ДНК є головним фактором позиціювання нуклеосом відносно послідовності. Розроблений теретичний алгоритм, що враховує пружні властивості динуклеотидних контактів у складі ДНК, у багатьох випадках дозволяє передбачити переважні нуклеосомні позиції з точністю до 10 пар основ.

5. Флуоресцентне титрування бромистим етидієм свідчить, що, незважаючи на щільну компактизацію, ДНК зберігає високу загальну конформаційну рухливість у складі нативних клітинних ядер. Результати флуоресцентних експериментів вказують також на високу конформаційну рухливість нуклеогістонових комплексів, реконструйованих на циркулярній ДНК малого розміру (мініциклах).

6. Аналіз релаксації мініциклів ДНК, які містять реконструйовану нуклеосому, ДНК-топоізомеразою І вказує, що нуклеосома здатна існувати у трьох структурних формах за фізіологічних умов, в залежності від топологічного стану ДНК: двох закритих, у яких нуклеосомна суперспіраль містить 1,7 витка, та у місці входу-виходу ДНК із нуклеосоми формується негативне або позитивне перехрещення, та відкритого – з 1,4 витка суперспіралі.

7. Рівновага між структурними формами нуклеосоми залежить від послідовності пар основ ДНК, на якій ця нуклеосома сформована. Існування закритого позитивного стану нуклеосоми зумовлено залежною від послідовності пар основ деформацією нуклеосомної суперспіралі зі зближенням та зміною орієнтації лінкерних ділянок ДНК.

8. У тетрасомі – комплексі ДНК із тетрамером гістонів (Н3-Н4)₂ – під впливом позитивної надспіралізації здійснюється структурне перетворення зі зміною хіральності суперспіралі та її латеральним розкриттям.

9. Дестабілізація кінцевих невпорядкованих ділянок гістонів унаслідок їх ацетилування призводить до зменшення конформаційної рухливості нуклеосоми та до збільшення рухливості тетрасоми: доступ до закритих форм нуклеосоми зменшується, структурне перетворення у тетрасомі значно полегшується після послаблення взаємодії кінцевих ділянок із ДНК.

10. У нуклеосомі, яка містить лінкерний гістон Н5, лінкерні ділянки ДНК формують стеблоподібну структуру. Стебло є правою чи лівою подвійною спіраллю, крок якої поступово змінюється так, що дві ділянки ДНК виходять із неї майже паралельними, що забезпечує високу обертальну рухливість стебла.

Публікації автора:

1. Сиволоб А.В., Драган А.И., Храпунов С.Н. Теоретическое исследование структурного перехода в нуклеосоме при низкой ионной силе // Молек. биология. – 1987. – Т.21, №3. – С.714-723. (Особистий внесок дисертанта: розробка теоретичної моделі, математичні розрахунки, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

2. Сиволоб А.В., Храпунов С.Н. Структура октамера гистонов в составе реконструированных полинуклеосом в присутствии гистона Н1 и двухвалентных катионов // Биополимеры и клетка. – 1987. – Т.3, №4. – С.192-201. (Особистий внесок дисертанта: реконструкція нуклеосом, виміри тирозинової флуоресценції гістонів, обговорення результатів зі співавтором, підготовка роботи до друку.)

3. Сиволоб А.В., Храпунов С.Н. Связывание положительно-заряженных лигандов с ДНК. Влияние ионной силы, заряда и размера лиганда // Молек. биология. – 1988. – Т.22,№2. – С.414-422. (Особистий внесок дисертанта: розробка теорії електростатичних взаємодій білків з ДНК, математичні розрахунки, обговорення результатів зі співавтором, підготовка роботи до друку.)

4. Сиволоб А.В., Храпунов С.Н. Теоретическое рассмотрение механизмов компактизации ДНК поликатионами // Биофизика. – 1989. – Т.34, №1. – С.28-33. (Особистий внесок дисертанта: розробка теоретичної моделі, математичні розрахунки, обговорення результатів зі співавтором, підготовка роботи до друку.)

5. Сиволоб А.В., Храпунов С.Н. Влияние сверхспирализации ДНК на структуру нуклеосом // Молек.биология. – 1991. – Т.25, №1. – С.144-152. (Особистий внесок дисертанта: теоретичний аналіз можливих варіантів впливу надспіралізації на структуру нуклеосом, математичні розрахунки, обговорення результатів зі співавтором, підготовка роботи до друку.)

6. Бондарь Н.В., Безруков В.Ф., Сиволоб А.В., Храпунов С.Н. Возможная роль эндогенных нуклеаз в структурной организации хроматина // Биологические науки. Научные доклады высшей школы. – 1992. – №2. – С.58-64. (Особистий внесок дисертанта: виміри флуоресценції бромистого етидію, теоретичний аналіз результатів, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

7. Сиволоб А.В., Храпунов С.Н. Флюоресцентная спектроскопия в исследованиях белково-нуклеиновых взаимодействий в хроматине // Биополимеры и клетка. – 1992. – Т.8, №1. – С.89-100. (Особистий внесок дисертанта: теоретичне узагальнення власних результатів флуоресцентної спектроскопії щодо структури хроматину, розробка флуоресцентних підходів до вивчення білково-нуклеїнових взаємодій, обговорення результатів зі співавтором, підготовка роботи до друку.)

8. Sivolob A.V., Khrapunov S.N. Translational positioning of nucleosomes on DNA: the role of sequence-dependent isotropic DNA bending stiffness // J. Mol. Biol. – 1995. – Vol.247, N5. – P.918-931. (Особистий внесок дисертанта: розробка теоретичної моделі та алгоритму, математичні розрахунки, обговорення результатів зі співавтором, підготовка роботи до друку.)

9. Khrapunov S.N., Dragan A.I., Sivolob A.V., Zagariya A.M. Mechanisms of stabilizing nucleosome structure. Study of dissociation of histone octamer from DNA // Biochim. Biophys. Acta. – 1997. – Vol.1351, N1-2. – P.213-222. (Особистий внесок дисертанта: теоретичний аналіз дисоціації нуклеосом, математичні розрахунки, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

10. Sivolob A., Khrapunov S.N. Electrostatic contribution to the bending of DNA // Biophys. Chemistry. – 1997. – Vol.67, N1-3. – P.85-96. (Особистий внесок дисертанта: розробка теоретичної моделі, математичні розрахунки, обговорення результатів зі співавтором, підготовка роботи до друку.)

11. Бондар Н.В, Сиволоб А.В., Демідов С.В. Використання методу титрування бромистим етидієм для дослідження топологічного стану ДНК у складі ядер // Вістник Київського університету. Біологія – 1998. – вип. 28. – С.23-24. (Особистий внесок дисертанта: розробка методики визначення топологічного стану ДНК у складі клітинних ядер, виміри флуоресценції бромистого етидію, теоретичний аналіз результатів, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

12. Sivolob A., De Lucia F., Rvet B., Prunell A. Nucleosome dynamics II. High flexibility of nucleosome entering and exiting DNAs to positive crossing. An ethidium bromide fluorescence study of mononucleosomes on DNA minicircles // J. Mol. Biol. – 1999. – Vol.285, N3. – P.1081-1099. (Особистий внесок дисертанта: виміри флуоресценції бромистого етидію, теоретичний аналіз результатів, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

De Lucia F., Alilat M., Sivolob A., Prunell A. Nucleosome dynamics III. Histone tail-dependent fluctuation of nucleosomes between open and closed DNA conformations. Implication for chromatin dynamics and the linking number paradox. A relaxation study of mononucleosomes on DNA minicircles // J. Mol. Biol. – 1999. – Vol.285, N3. – P.1101-1119. (Особистий внесок дисертанта: розробка методики релаксації нуклеогістонових комплексів топоізомеразою І, теоретичний аналіз релаксації нуклеосом, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

13. Alilat M., Sivolob A., Rvet B., Prunell A. Nucleosome dynamics IV. Protein and DNA contributions in the chiral transition of the tetrasome, the histone (H3-H4)₂ tetramer-DNA particle // J. Mol. Biol. – 1999. – Vol.291, N4. – P.815-841. (Особистий внесок дисертанта: визначення позицій нуклеогістонових комплексів методом футпринтинга ДНК, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

14. Sivolob A., Prunell A. Nucleosome dynamics V. Ethidium bromide versus histone tails in modulating ethidium bromide-driven tetrasome chiral transition. A fluorescence study of tetrasome on DNA minicircles // J. Mol. Biol. – 2000. – Vol.295, N1. – P.41-53. (Особистий внесок дисертанта: виміри флуоресценції бромистого етидію, теоретичний аналіз результатів, розробка моделі кількох структурних станів тетрасоми у присутності барвника, обговорення результатів зі співавтором, підготовка роботи до друку.)

Sivolob A., De Lucia F., Alilat M., Prunell A. Nucleosome dynamics VI. Histone tail regulation of tetrasome chiral transition. A relaxation study of tetrasomes on DNA minicircles // J. Mol. Biol. – 2000. – Vol.295, N1. – P.55-70. (Особистий внесок дисертанта: експерименти з релаксації тетрасом топоізомеразою І, теоретичний аналіз результатів, математичні розрахунки, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

15. Сиволоб А.В. Структурная динамика нуклеосомы и суперспиральный парадокс // Молек. биология. – 2002. – Т.36, №3. – С.391-396.

16. Сиволоб А.В. Висока конформаційна рухливість ДНК в ядрах клітин // Вісник Київського університету. Біологія. – 2002. – вип. 36. – С. 17-19.

17. Сиволоб А.В. Енергетика та конформаційна рухливість циркулярної ДНК малого розміру // Вісник Київського університету. Біологія. – 2002. – вип. 38. С. 21-22.

18. Sivolob A., Lavelle C., Prunell A. Sequence-dependent nucleosome structural and dynamic polymorphism. Potential involvement of histone H2B N-terminal tail proximal domain // J. Mol. Biol. – 2003. – Vol.326, N1. – P.49-63. (Особистий внесок дисертанта: експерименти з релаксації нуклеосом топоізомеразою І, теоретичний аналіз результатів, розробка теоретичних моделей, математичні розрахунки, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

19. Sivolob A., Prunell A. Linker histone-dependent organization and dynamics of nucleosome entry/exit DNAs // J. Mol. Biol. – 2003. – Vol.331, N5. – P.1025–1040. (Особистий внесок дисертанта: експерименти з релаксації топоізомеразою І, теоретичний аналіз результатів, розробка теоретичних моделей, математичні розрахунки, обговорення результатів зі співавтором, підготовка роботи до друку.)

20. Prunell A., Sivolob A. Paradox lost: nucleosome structure and dynamics by the DNA minicircle approach // Chromatin structure and dynamics: state-of-the-art. New Comprehensive Biochemistry. Vol. 39 (Eds. J.Zlatanova, S.H.Leuba). – Amsterdam: Elsevier, 2004. – P. 45-74. (Особистий внесок дисертанта: теоретичне узагальнення власних результатів релаксації нуклеогістонових комплексів топоізомеразою І, вирішення надспірального парадокса, обговорення результатів зі співавтором, підготовка роботи до друку.)

21. Dragan A.I, Potekhin S.A., Sivolob A., Lu M., Privalov P.L. Kinetics and thermodynamics of the unfolding and refolding of the three-stranded -helical coiled coil, Lpp-56 // Biochemistry. – 2004. – Vol.43, N47. – P.14891-14900. (Особистий внесок дисертанта: розробка методів підгонки теоретичних моделей під експериментальні дані, математичні розрахунки, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

22. Sivolob A., Prunell A. Nucleosome conformational flexibility and implications for chromatin dynamics // Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. A. – 2004. – Vol.362, N1820. – P.1519-1547. (Особистий внесок дисертанта: теоретичне узагальнення власних результатів релаксації нуклеогістонових комплексів топоізомеразою І, розробка моделі структурної динаміки хроматину, обговорення результатів зі співавтором, підготовка роботи до друку.)

23. Драган А.И., Сиволоб А.В., Храпунов С.Н. Структурные перестройки нуклеосом в растворах с высокой ионной силой // Тезисы докладов IX Всесоюзного симп. "Структура и функции клеточного ядра". – Черноголовка. – 1987. – С.52. (Особистий внесок дисертанта: розробка теоретичної моделі, математичні розрахунки, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

24. Сиволоб А.В., Драган А.И., Храпунов С.Н. Механизмы стабилизации нуклеосомы при низкой ионной силе // Тезисы докладов IX Всесоюзного симп. "Структура и функции клеточного ядра". – Черноголовка. – 1987. – С.86. (Особистий внесок дисертанта: розробка теоретичної моделі, математичні розрахунки, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

25. Драган А.И., Сиволоб А.В., Храпунов С.Н. Механизмы диссоциации нуклеосомы при высокой ионной силе по данным флуоресцентной спектроскопии // Тезисы докладов VI конференции по спектроскопии биополимеров. – Харьков. – 1988. – С.116-117. (Особистий внесок дисертанта: теоретичний аналіз дисоціації нуклеосом, математичні розрахунки, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

26. Сиволоб А.В., Драган А.И., Храпунов С.Н. Структурный переход в нуклеосоме при низкой ионной силе. Флуоресцентная спектроскопия и теоретический анализ // Тезисы докладов VI конференции по спектроскопии биополимеров. – Харьков. – 1988. – С.269-270. (Особистий внесок дисертанта: виміри тирозинової флуресценції нуклеогістонових комплексів, розробка теоретичної моделі, математичні розрахунки, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

27. Сиволоб А.В., Безруков В.Ф., Бондарь Н.В., Храпунов С.Н. Торсионные напряжения в ДНК клеточных ядер. Флуоресцентные исследования // Тезисы докладов VII конференции по спектроскопии биополимеров. – Харьков. – 1991. – С.219. (Особистий внесок дисертанта: виміри флуоресценції бромистого етидію, теоретичний аналіз результатів, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

28. Безруков В.Ф., Бондарь Н.В., Сиволоб А.В., Храпунов С.Н. Зависимость активности Ca-Mg эндонуклеазы от структурного состояния хроматина // Тезисы докладов IX конференции межотраслевого проекта “Нуклеазы”. – Казань. – 1991. – С.18-20. (Особистий внесок дисертанта: виміри флуоресценції бромистого етидію, теоретичний аналіз результатів, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

29. Khrapunov S.N., Dragan A.I., Sivolob A.V. The topological complementarity of the charge groups controlling the interaction of DNA with core histones in nucleosome // Progr. Biophys. and Mol. Biol. (International Biophysical Congress, Amsterdam). – 1996. – Vol.65, N1 – Р.82. (Особистий внесок дисертанта: теоретичне узагальнення власних результатів щодо конформаційної рухливості нуклеосоми в залежності від іонної сили, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)

30. De Lucia F., Sivolob A., Alilat M., Cohen-Solal J., Prunell A. Histone-tail dependent flexibility of nucleosome entering and exiting DNAs to positive crossing // EMBL Transcription meeting. – Heidelberg. – 1998. – P.256-257. (Особистий внесок дисертанта: виміри флуоресценції бромистого етидію, теоретичний аналіз результатів, обговорення результатів зі співавторами, підготовка роботи до друку.)