סליל כפול של חומצות גרעין

בביולוגיה מולקולרית, המונח "סליל כפול" מתייחס למבנה שנוצר על ידי מולקולות דו-גדיליות של חומצות גרעין כגון דנ"א. המבנה הסלילי הכפול של קומפלקס חומצות הגרעין נובע כתוצאה מהמבנה השניוני שלו, והוא מרכיב יסודי בקביעת המבנה השלישוני שלו. המונח נכנס לתרבות הפופולרית עם פרסום הספר "הסליל הכפול" מאת ג'יימס ווטסון (1968) העוסק בגילוי מבנה הדנ"א.
הסליל הכפול של הדנ"א הוא פולימר חומצות גרעין המורכב מנוקלאוטידים, שיוצרים יחד זוגות קבועים. ב-B-DNA, קונפורמציית הסליל הכפול הנפוצה ביותר בטבע, הסליל הכפול הוא סליל ימני עם כ-10 עד 10.5 זוגות בסיסים לכל פיתול. מבנה הסליל הכפול של הדנ"א מכיל תעלה גדולה (Major Groove) ותעלה קטנה (Minor Groove). בגאומטריית B-DNA התעלה הגדולה רחבה יותר מאשר התעלה הקטנה. בשל הבדל זה, חלבונים רבים שנקשרים ל-B-DNA עושים זאת דרך התעלה הגדולה.

היסטוריה

מודל הסליל הכפול של מבנה הדנ"א פורסם לראשונה בכתב העת Nature על ידי ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק ב-1953. הוא מבוסס על צילום הרנטגן החשוב של הדנ"א שכותרתו "תצלום 51 ", שצילמה רוזלינד פרנקלין ב 1952, ומאוחר יותר על תצלום בהיר יותר של הדנ"א שצילמה יחד עם ריימונד גוסלינג, מוריס וילקינס, אלכסנדר סטוקס והרברט וילסון, ועל מידע כימי וביוכימי הנוגע לזיווג הבסיסים שהוסיף ארווין צ'רגף. לפני כן מודל הדנ"א הרווח הכיל שלושה גדילים.
ההבנה שהדנ"א בנוי מסליל כפול, ועימה הבהרת מנגנון זיווג הבסיסים בו מידע גנטי מאוחסן ומועתק באורגניזמים חיים, נחשבת לאחת התגליות המדעיות החשובות ביותר של המאה ה-20. בשנת 1962 ווילקינס, ווטסון וקריק קיבלו על תגלית זו שליש פרס נובל כל אחד בפיזיולוגיה או רפואה על תרומתם לגילוי. פרנקלין, אשר תצלום הרנטגן פורץ הדרך שהפיקה סיפק נתונים חשובים לגיבוש מבנה הדנ"א, נפטרה בשנת 1958 ולכן לא הייתה זכאית להיות מועמדת לפרס נובל.

היברידיזציה של חומצות גרעין

היברידיזציה (הכלאה) היא תהליך בו שני גדילים משלימים נקשרים זה לזה ליצירת סליל כפול. ניתן להביא להיברידיזציה של דנ"א משני מקורות שונים על ידי דנטורציה (התכה) של דנ"א דו-גדילי משני המקורות והשרייתם יחד בתנאים המתאימים. שיטה זו משמשת להשוואה בין שתי דגימות דנ"א או דגימת דנ"א ורנ"א, למשל משני אורגניזמים שונים, או איתור של מקטע דנ"א ספציפי. ניתן להביא לדנטורציה של חומצות גרעין על ידי חימום או חשיפה לבסיסים חזקים, בהם נשברים קשרי המימן בין בסיסים מזווגים וקשרי המערום בין בסיסים סמוכים. באופן זה שני הגדילים של הסליל הכפול נפרדים, אך הקשרים הקוולנטים שבין הבסיסים באותו הגדיל אינם מופרעים ושלמות הגדילים לא נפגעת.
דנטורציה של חומצות גרעין באמצעות חימום עדין, כמו זו המתבצעת בתגובת שרשרת של פולימראז (PCR), אידיאלית כאשר מולקולות חומצות הגרעין מורכבות מפחות מ-10,000 זוגות בסיסים. השזירה של גדילי הדנ"א מקשה על הפרדת מקטעי דנ"א ארוכים מכך. התא מתגבר על בעיה זו באמצעות אנזימים מקבוצת הליקאז, המאפשרים עבודה מקבילית עם האנזים טופואיזומראז, החותך את הגב הפוספו-זרחני של אחד מהגדילים. הליקאז פורמים את הגדילים ומאפשרים את השלמת גדילי הדנ"א, למשל באמצעות דנ"א פולימראז.

תעלות

גדילי סליל תאומים יוצרים את השלד של הדנ"א. ניתן למצוא סליל כפול נוסף על ידי מעקב אחר הרווחים, או התעלות, בין הגדילים. חללים אלה סמוכים לזוגות הבסיסים ויכולים לספק אתר קישור. בשל כך שהגדילים אינם מנוגדים לחלוטין זה לזה, התעלות אינן בגודל שווה: רוחב התעלה הגדולה (הגדולה) הוא 22 אנגסטרום ורוחב התעלה הקטנה (הקטן) 12 אנגסטרום. צרותה של התעלה הקטנה מביאה לכך שקצוות הבסיסים נגישים יותר בתעלה הגדולה. כתוצאה מכך, חלבונים כדוגמת גורמי שעתוק שנקשרים לרצפים ספציפיים בדנ"א דו-גדילי לרוב יוצרים קשרים בצידי הבסיסים שנחשפו בתעלה הגדולה. מצב זה משתנה בהתאם לקונפורמציות החריגות של הדנ"א בתוך התא, אך בכל מקרה התעלות העיקריות והמשניות תמיד יקראו כך שישקפו את הבדלי הרוחב שהיו נמדדים לו הדנ"א היה נשזר בצורת B הסטנדרטית.

צורות לא סליליות כפולות

בסוף שנות ה-70', מודלים לא סליליים אלטרנטיביים של דנ"א נחשבו לזמן קצר כפתרון פוטנציאלי לבעיות בשכפול דנ"א בפלסמידים ובכרומטין. מודלים אלו נזנחו לטובת מודל הסליל הכפול בעקבות ההתקדמות הניסויית בקריסטלוגרפיה בקרני רנטגן של דופלקסים של דנ"א ולאחר מכן גילוי הנוקלאוזום והטופואיזומראז. כיום, המודלים הלא-סליליים אינם מקובלים על ידי הקהילה המדעית.
חומצות גרעין חד-גדיליות (ssDNA) אינן מסתדרות במבנה סלילי, ומתוארות על ידי מודלים כגון ליפוף אקראי או שרשרת דמוית תולעת.  

מחזוריות

מעגלי דנ"א תלוית הן בקשיחות ציר הכיפוף והן בקשיחות הסיבובית (Torsional) של המולקולה. בשביל שמולקולת דנ"א תהיה מעגלית עליה להיות ארוכה מספיק בשביל להתעקם בקלות למעגל שלם ולהכיל מספר בסיסים מתאים כך שקצוות המולקולה יהיו בהטייה הנכונה להיקשר זה לזה. האורך האופטימלי עבור מולקולת דנ"א מעגלית הוא כ-400 זוגות בסיסיים (136 ננומטר) ומספר שלם של סיבובים, כלומר כפולות שלמים של 10.4 זוגות בסיסים לסיבוב. מולקולה המכילה מספר לא-שלם של סיבובים נתקלת במחסום אנרגיה משמעותי בשביל להפוך למעגלית. למשל, מולקולה המורכבת מ-30 סיבובים כאשר בכל סיבוב יש 10.4 זוגות בסיסים תהפוך למעגלית פי מאות פעמים מהר יותר מאשר זו המכילה 30.5 סיבובים.

משטר מתיחה גמיש

מבחינה אנטרופית, קטעי דנ"א ארוכים גמישים יותר תחת מתח. כאשר מולקולת דנ"א נמצאת בתמיסה, היא עוברת שינויים מבניים מתמשכים באמצעות האנרגיה הזמינה באמבט התרמי של הממס, אודות לרטט התרמי של המולקולה בשילוב עם התנגשויות חוזרות ונשנות עם מולקולות מים. מסיבות אנטרופיות, ככל שהמולקולה הדחוסה רפויה יותר היא זמינה יותר מבחינה תרמית מאשר מולקולה במצב מתוח, ולכן מולקולות דנ"א נמצאות באופן כמעט בלעדי בפריסות רפויות סבוכות.
ניתן למתוח מולקולה אחת של דנ"א תוך השקעת כוח ועל ידי כך ליישר אותה. התנהגות המתיחה של דנ"א נחקרה ונותחה מנקודת מבט של פיזיקה פולימרית באמצעות מלקחיים אופטיים, ופעם נוספת נמצא כי הדנ"א תואם במידה רבה את מודל ה-WLC תחת סולמות אנרגיה הנגישים מבחינה פיזיולוגית.

מעברי פאזה תחת מתיחה

תחת מתח מבוקר ועם מומנט חיובי, משערים כי הדנ"א מקיים מעברי פאזה עם הבסיסים הנוטים כלפי חוץ והפוספטים הנעים למרכז. המבנה המוצע לדנ"א הנמתח יתר על המידה נקרא P-Form DNA, בהוקרה ללינוס פאולינג שהציג את המודל כהשערה למבנה הנפוץ של הדנ"א.
ראיות למתיחה המכנית של דנ"א בהיעדר מומנט מושרה מצביעות על מעבר או מעברים המובילים למבנים נוספים שמוכרים כצורות S-Form DNA. מבנים אלה עדיין לא אופיינו באופן סופי בשל הקושי לבצע הדמיה ברזולוציה אטומית בתמיסות תוך השריית כוח, אך בוצעו מחקרי סימולציה ממוחשבים רבים (לדוגמה,,).
המבנים המוצעים של צורת S כוללים מבנים ששומרים על קשרי המערום וקשרי המימן בין זוגות בסיסים (עשירים ב-C ו-G), וכן מבנים בהם מתרחשת דנטורציה חלקית של קשרי המערום אך גאומטריית הבסיסים נשמרת (עשירים ב-A ו-T).

התפתלות־על וטופולוגיה

צורה B של סליל הדנ"א משלימה סיבוב של 360° כל 10.4-10.5 זוגות בסיסים (bp) מבלי לגרום למתיחת הסיבוב, אך תהליכים ביולוגיים מולקולריים רבים יכולים לגרום ללחץ מתיחה סיבובי. מקטע דנ"א עם פיתול עודף נקרא "התפתלות־על" (Supercoiled) חיובית ומקטע דנ"א עם פיתול פחוּת נקרא התפתלות־על שלילית. דנ"א in-vivo הוא לרוב בעל התפתלות על שלילית, וניתן לפרום את הסליל הכפול שלו בעזרת רנ"א תעתוק.
בתוך התא רוב הדנ"א מוגבל מבחינה טופולוגית. דנ"א נמצא בדרך כלל בלולאות סגורות (כגון פלסמידים בפרוקריוטים), שנחשבות לסגורות מבחינה טופולוגית, או כמולקולות ארוכות מאוד שמקדמי הדיפוזיה שלהן מייצרים באפקטיביות מתחמים (Domains) סגורים טופולוגית. מקטעים ליניאריים של דנ"א הרבה פעמים נקשרים לחלבונים או למבנים פיזיקליים (כגון ממברנות) על מנת ליצור לולאות טופולוגיות.
פרנסיס קריק היה מהראשונים להציע את חשיבותם של מספרים מקשרים לתיאור התפתולת־על של דנ"א.

פרדוקס המספר המקשר

במשך שנים רבות, מקורה של התפתלות־העל בגנום של תאים אאוקריוטים היה מעורפל. חידה טופולוגית זו מכונה על ידי כמה "פרדוקס המספר המקשר" (The Linking Number Paradox). עם זאת, כאשר מבנים שנקבעו בצורה ניסויית של הנוקלאוזום הציגו מודל דנ"א מפותל מאוד העוטף משמאל אוקטמר היסטוני, הקהילה המדעית החשיבה פרדוקס זה כפתור.