stringtranslate.com

ДНК-связывающий домен

ДНК -связывающий домен ( DBD ) представляет собой независимо свернутый белковый домен , который содержит по крайней мере один структурный мотив , который распознает двух- или одноцепочечную ДНК . DBD может распознавать конкретную последовательность ДНК ( последовательность распознавания ) или иметь общее сродство к ДНК. [1] Некоторые ДНК-связывающие домены могут также включать в свою свернутую структуру нуклеиновые кислоты.

Функция

Пример ДНК-связывающего домена в контексте белка. N-концевой ДНК-связывающий домен (помечен) репрессора Lac регулируется С-концевым регуляторным доменом (помечен). Регуляторный домен связывает аллостерическую эффекторную молекулу (зеленый). Аллостерический ответ белка передается от регуляторного домена к ДНК-связывающему домену через линкерную область. [2]

Один или несколько ДНК-связывающих доменов часто являются частью более крупного белка , состоящего из дополнительных белковых доменов с разными функциями. Дополнительные домены часто регулируют активность ДНК-связывающего домена. Функция связывания ДНК является либо структурной, либо включает регуляцию транскрипции , причем эти две роли иногда перекрываются.

ДНК-связывающие домены, функции которых связаны со структурой ДНК , играют биологическую роль в репликации , репарации , хранении и модификации ДНК, например, в метилировании .

Многие белки, участвующие в регуляции экспрессии генов, содержат ДНК-связывающие домены. Например, белки, которые регулируют транскрипцию путем связывания ДНК, называются факторами транскрипции . Конечным результатом большинства клеточных сигнальных каскадов является регуляция генов.

DBD взаимодействует с нуклеотидами ДНК специфичным или неспецифичным для последовательности способом , но даже неспецифическое распознавание предполагает некоторую молекулярную комплементарность между белком и ДНК. Распознавание ДНК с помощью DBD может происходить по большой или малой бороздке ДНК или по сахарно-фосфатному остову ДНК (см. Структуру ДНК ). Каждый конкретный тип распознавания ДНК адаптирован к функции белка. Например, расщепляющий ДНК фермент ДНКаза I разрезает ДНК почти случайным образом и поэтому должен связываться с ДНК неспецифичным для последовательности образом. Но даже в этом случае ДНКаза I распознает определенную трехмерную структуру ДНК , создавая несколько специфический образец расщепления ДНК, который может быть полезен для изучения распознавания ДНК с помощью метода, называемого ДНК-следом .

Многие ДНК-связывающие домены должны распознавать определенные последовательности ДНК, такие как DBD факторов транскрипции , которые активируют определенные гены, или последовательности ферментов, которые модифицируют ДНК в определенных сайтах, таких как ферменты рестрикции и теломераза . Характер водородных связей в большой бороздке ДНК менее вырожден, чем в малой бороздке ДНК, что обеспечивает более привлекательный сайт для распознавания ДНК, специфичного для последовательности .

Специфичность ДНК-связывающих белков можно изучать с помощью многих биохимических и биофизических методов, таких как гель-электрофорез , аналитическое ультрацентрифугирование , калориметрия , мутация ДНК , мутация или модификация структуры белка , ядерный магнитный резонанс , рентгеновская кристаллография , поверхностный плазмонный резонанс , электронный парамагнитный резонанс , сшивка и микромасштабный термофорез (МСТ).

ДНК-связывающий белок в геномах

Большая часть генов в каждом геноме кодирует ДНК-связывающие белки (см. таблицу). Однако лишь небольшое число семейств белков связываются с ДНК. Например, более 2000 из примерно 20 000 белков человека являются «ДНК-связывающими», включая около 750 белков «цинковых пальцев». [3]

Типы

Контакты ДНК разных типов ДНК-связывающих доменов

Спираль-поворот-спираль

Первоначально обнаруженный у бактерий, мотив спираль-поворот-спираль обычно встречается в белках-репрессорах и имеет длину около 20 аминокислот. У эукариот гомеодомен состоит из двух спиралей, одна из которых узнает ДНК (она же спираль узнавания). Они часто встречаются в белках, регулирующих процессы развития ( PROSITE HTH [ постоянная мертвая ссылка ] ).

Цинковый палец

Кристаллографическая структура ( PDB : 1R4O ) димера цинкового пальца, содержащего DBD глюкокортикоидного рецептора (вверху), связанного с ДНК (внизу). Атомы цинка представлены серыми сферами, а координирующие боковые цепи цистеина изображены в виде палочек.

Домен цинкового пальца в основном встречается у эукариот, но некоторые примеры были обнаружены и у бактерий. [5] Домен цинкового пальца обычно имеет длину от 23 до 28 аминокислот и стабилизируется путем координации ионов цинка с регулярно расположенными координирующими цинк остатками (гистидинами или цистеинами). Самый распространенный класс цинковых пальцев (Cys2His2) координирует один ион цинка и состоит из спирали узнавания и двухцепочечного бета-листа. [6] В транскрипционных факторах эти домены часто встречаются в массивах (обычно разделенных короткими линкерными последовательностями), а соседние пальцы располагаются с интервалом в 3 пары оснований при связывании с ДНК.

Лейциновая молния

Домен основной лейциновой молнии ( bZIP ) встречается главным образом у эукариот и в ограниченной степени у бактерий. Домен bZIP содержит альфа-спираль с лейцином в каждой седьмой аминокислоте. Если две такие спирали найдут друг друга, лейцины могут взаимодействовать, как зубцы в застежке-молнии, позволяя димеризовать два белка. При связывании с ДНК основные аминокислотные остатки связываются с сахарофосфатным остовом, в то время как спирали располагаются в основных бороздках. Он регулирует экспрессию генов.

Крылатая спираль

Домен крылатой спирали (WH) , состоящий примерно из 110 аминокислот, имеет четыре спирали и двухцепочечный бета-лист.

Крылатая спираль-поворот-спираль

Домен SCOP 46785 «крылатая спираль-поворот-спираль» (wHTH) обычно имеет длину 85-90 аминокислот. Он образован трехспиральным пучком и четырехнитевым бета-листом (крылом).

Спираль-петля-спираль

Основной домен спираль-петля-спираль (bHLH) встречается в некоторых факторах транскрипции и характеризуется двумя альфа-спиралями (α-спиралями), соединенными петлей. Одна спираль обычно меньше и благодаря гибкости петли допускает димеризацию путем сворачивания и упаковки с другой спиралью. Более крупная спираль обычно содержит участки связывания ДНК.

HMG-коробка

Домены HMG-бокса обнаружены в группах белков с высокой подвижностью, которые участвуют в различных ДНК-зависимых процессах, таких как репликация и транскрипция. Они также изменяют гибкость ДНК, вызывая изгибы. [7] [8] Домен состоит из трех альфа-спиралей, разделенных петлями.

Домен Wor3

Домены Wor3, названные в честь бело-непрозрачного регулятора 3 (Wor3) у Candida albicans, возникли в ходе эволюции позже, чем большинство ранее описанных ДНК-связывающих доменов, и встречаются только у небольшого числа грибов. [9]

OB-складной домен

OB-фолд представляет собой небольшой структурный мотив, первоначально названный в честь его свойств связывания олигонуклеотидов / олигосахаридов . Длина OB-складных доменов составляет от 70 до 150 аминокислот. [10] OB-складки связывают одноцепочечную ДНК и, следовательно, представляют собой одноцепочечные связывающие белки . [10]

Белки OB-фолда были идентифицированы как критические для репликации ДНК , рекомбинации ДНК , репарации ДНК , транскрипции , трансляции , реакции на холодовой шок и поддержания теломер . [11]

Необычный

Иммуноглобулиновая складка

Домен иммуноглобулина ( InterPro : IPR013783  ) состоит из структуры бета-листа с большими соединительными петлями, которые служат для распознавания либо основных борозд ДНК, либо антигенов. Обычно обнаруживаются в белках иммуноглобулинов, они также присутствуют в белках Stat цитокинового пути. Вероятно, это связано с тем, что цитокиновый путь развился относительно недавно и использовал уже функциональные системы, а не создавал свои собственные.

Домен B3

B3 DBD ( InterPro :  IPR003340 , SCOP 117343 ) обнаруживается исключительно в факторах транскрипции высших растений и эндонуклеазах рестрикции EcoRII и BfiI и обычно состоит из 100-120 остатков . Он включает семь бета-листов и две альфа-спирали , которые образуют ДНК-связывающую белковую складку псевдобочонка .

Эффектор ТАЛ

Эффекторы TAL обнаружены в бактериальных патогенах растений рода Xanthomonas и участвуют в регуляции генов растения-хозяина с целью облегчения вирулентности, пролиферации и распространения бактерий. [12] Они содержат центральную область из тандемных повторов из 33-35 остатков, и каждая область повтора кодирует одно основание ДНК в сайте связывания TALE. [13] [14] В повторе только остаток 13 напрямую контактирует с основанием ДНК, определяя специфичность последовательности, в то время как другие положения вступают в контакт с основной цепью ДНК, стабилизируя ДНК-связывающее взаимодействие. [15] Каждый повтор внутри массива принимает форму парных альфа-спиралей, в то время как весь массив повторов образует правостороннюю суперспираль, обертывающую двойную спираль ДНК. Было показано, что массивы эффекторных повторов TAL сжимаются при связывании с ДНК, и был предложен механизм поиска с двумя состояниями, при котором удлиненная TALE начинает сжиматься вокруг ДНК, начиная с успешного распознавания тимина с уникальной повторяющейся единицы, N-концевой ядра TAL. - массив повторяющихся эффекторов. [16] Родственные белки обнаружены у бактериального патогена растений Ralstonia solanacearum , [17] грибкового эндосимбионта Burkholderia rhizoxinica [18] и двух пока еще неопознанных морских микроорганизмов. [19] Код связывания ДНК и структура массива повторов консервативны между этими группами, называемыми TALE -likes .

РНК-ориентированный

Система CRISPR/Cas Streptococcus pyogenes может быть запрограммирована на управление как активацией [20] , так и репрессией природных и искусственных промоторов эукариот посредством простой разработки направляющих РНК с комплементарностью по спариванию оснований к сайтам-мишеням ДНК. [21] Cas9 можно использовать в качестве настраиваемой платформы связывания ДНК под управлением РНК. Домен Cas9 может быть функционализирован с помощью представляющих интерес регуляторных доменов (например, активации, репрессии или эпигенетического эффектора) или с помощью эндонуклеазного домена в качестве универсального инструмента геномной инженерии биологии. [22] [23] и затем нацеливаться на несколько локусов с использованием различных направляющих РНК.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Лилли Д.М. (1995). ДНК-белок: структурные взаимодействия . Оксфорд: IRL Press в Oxford University Press. ISBN 0-19-963453-Х.
  2. ^ Свинт-Крузе Л., Мэтьюз К.С. (апрель 2009 г.). «Аллостерия в семействе LacI/GalR: вариации на тему». Современное мнение в области микробиологии . 12 (2): 129–37. дои : 10.1016/j.mib.2009.01.009. ПМЦ 2688824 . ПМИД  19269243. 
  3. ^ «просмотрено: да И организм: «Homo sapiens (Человек) [9606]» И протеом: up000005640 в UniProtKB». www.uniprot.org . Проверено 25 октября 2017 г.
  4. ^ аб Малхотра С., Соудхамини Р. (август 2013 г.). «Полногеномное исследование ДНК-связывающих белков Arabidopsis thaliana: анализ распределения и функций». Исследования нуклеиновых кислот . 41 (15): 7212–9. дои : 10.1093/нар/gkt505. ПМЦ 3753632 . ПМИД  23775796. 
  5. ^ Мальджери Г., Палмиери М., Руссо Л., Фатторуссо Р., Педоне П.В., Изерния С. (декабрь 2015 г.). «Прокариотический цинковый палец: строение, функции и сравнение с эукариотическим аналогом». Журнал ФЭБС . 282 (23): 4480–96. дои : 10.1111/февраль 13503 . ПМИД  26365095.
  6. ^ Пабо Колорадо, Пейзах Э, Грант Р.А. (2001). «Разработка и выбор новых белков цинковых пальцев Cys2His2». Ежегодный обзор биохимии . 70 : 313–40. doi :10.1146/annurev.biochem.70.1.313. ПМИД  11395410.
  7. ^ Муругесапиллай Д. и др. (2014). «Соединение ДНК и образование петель с помощью HMO1 обеспечивает механизм стабилизации безнуклеосомного хроматина». Нуклеиновые кислоты Рез . 42 (14): 8996–9004. дои : 10.1093/nar/gku635. ПМЦ 4132745 . ПМИД  25063301. 
  8. ^ Муругесапиллай Д., Макколи MJ, Махер LJ 3-й, Williams MC (2017). «Одномолекулярные исследования высокомобильных белков, изгибающих архитектурную ДНК группы B». Биофиз Рев . 9 (1): 17–40. дои : 10.1007/s12551-016-0236-4. ПМЦ 5331113 . ПМИД  28303166. 
  9. ^ Лозе МБ, Херндей А.Д., Фордайс П.М., Нойман Л., Сорреллс Т.Р., Хэнсон-Смит В., Нобиле С.Дж., ДеРизи Дж.Л., Джонсон А.Д. (май 2013 г.). «Идентификация и характеристика ранее неописанного семейства ДНК-связывающих доменов, специфичных для последовательностей». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (19): 7660–5. Бибкод : 2013PNAS..110.7660L. дои : 10.1073/pnas.1221734110 . ПМЦ 3651432 . ПМИД  23610392. 
  10. ^ аб Флинн Р.Л., Цзоу Л. (август 2010 г.). «Складчатые белки, связывающие олигонуклеотиды / олигосахариды: растущее семейство хранителей генома». Критические обзоры по биохимии и молекулярной биологии . 45 (4): 266–75. дои : 10.3109/10409238.2010.488216. ПМК 2906097 . ПМИД  20515430. 
  11. ^ Теобальд Д.Л., Миттон-Фрай Р.М., Вуттке Д.С. (2003). «Распознавание нуклеиновой кислоты OB-фолдными белками». Ежегодный обзор биофизики и биомолекулярной структуры . 32 : 115–33. doi :10.1146/annurev.biophys.32.110601.142506. ПМЦ 1564333 . ПМИД  12598368. 
  12. ^ Бох Дж, Бонас У (2010). «Эффекторы семейства Xanthomonas AvrBs3 III типа: открытие и функция». Ежегодный обзор фитопатологии . 48 : 419–36. doi : 10.1146/annurev-phyto-080508-081936. ПМИД  19400638.
  13. ^ Москва MJ, Богданово AJ (декабрь 2009 г.). «Простой шифр управляет распознаванием ДНК эффекторами TAL». Наука . 326 (5959): 1501. Бибкод : 2009Sci...326.1501M. дои : 10.1126/science.1178817. PMID  19933106. S2CID  6648530.
  14. ^ Бох Дж., Шольце Х., Шорнак С., Ландграф А., Хан С., Кей С., Лахай Т., Никштадт А., Бонас У. (декабрь 2009 г.). «Взлом кода специфичности связывания ДНК эффекторов TAL-типа III». Наука . 326 (5959): 1509–12. Бибкод : 2009Sci...326.1509B. дои : 10.1126/science.1178811. PMID  19933107. S2CID  206522347.
  15. ^ Мак А.Н., Брэдли П., Чернадас Р.А., Богданов А.Дж., Стоддард Б.Л. (февраль 2012 г.). «Кристаллическая структура эффектора TAL PthXo1, связанного с его ДНК-мишенью». Наука . 335 (6069): 716–9. Бибкод : 2012Sci...335..716M. дои : 10.1126/science.1216211. ПМЦ 3427646 . ПМИД  22223736. 
  16. ^ Кукулис Л., Абил З., Чжао Х., Шредер С.М. (июнь 2015 г.). «Прямое наблюдение за динамикой белка TALE выявляет механизм поиска с двумя состояниями». Природные коммуникации . 6 : 7277. Бибкод : 2015NatCo...6.7277C. doi : 10.1038/ncomms8277. ПМЦ 4458887 . ПМИД  26027871. 
  17. ^ де Ланге О, Шрайбер Т, Шандри Н, Радек Дж, Браун К.Х., Кошиновски Дж, Хойер Х, Штраус А, Лахай Т (август 2013 г.). «Разрушение ДНК-связывающего кода эффекторов TAL Ralstonia solanacearum открывает новые возможности для создания генов устойчивости растений к бактериальному увяданию». Новый фитолог . 199 (3): 773–86. дои : 10.1111/nph.12324 . ПМИД  23692030.
  18. ^ Жюйера А, Бертонати С, Дюбуа Г, Гайо В, Томас С, Валтон Дж, Бердели М, Сильва Г.Х., Дабусси Ф, Дюшато П (январь 2014 г.). «BurrH: новый модульный ДНК-связывающий белок для геномной инженерии». Научные отчеты . 4 : 3831. Бибкод : 2014NatSR...4E3831J. дои : 10.1038/srep03831. ПМК 5379180 . ПМИД  24452192. 
  19. ^ де Ланге О, Вольф С, Тиль П, Крюгер Дж, Клеуш С, Кольбахер О, Лахай Т (ноябрь 2015 г.). «ДНК-связывающие белки морских бактерий расширяют известное разнообразие последовательностей TALE-подобных повторов». Исследования нуклеиновых кислот . 43 (20): 10065–80. дои : 10.1093/nar/gkv1053. ПМЦ 4787788 . ПМИД  26481363. 
  20. ^ Перес-Пинера П., Кочак Д.Д., Вокли К.М., Адлер А.Ф., Кабади А.М., Полштейн Л.Р., Такоре П.И., Гласс К.А., Оустераут Д.Г., Леонг К.В., Гуилак Ф., Кроуфорд Г.Е., Редди Т.Е., Герсбах Калифорния (октябрь 2013 г.). «Активация генов, управляемая РНК, факторами транскрипции на основе CRISPR-Cas9». Природные методы . 10 (10): 973–6. дои : 10.1038/nmeth.2600. ПМЦ 3911785 . ПМИД  23892895. 
  21. ^ Фарзадфард Ф, Перли С.Д., Лу Т.К. (октябрь 2013 г.). «Настраиваемые и многофункциональные эукариотические факторы транскрипции на основе CRISPR/Cas». ACS Синтетическая биология . 2 (10): 604–13. дои :10.1021/sb400081р. ПМЦ 3805333 . ПМИД  23977949. 
  22. ^ Чо С.В., Ким С., Ким Дж.М., Ким Дж.С. (март 2013 г.). «Направленная геномная инженерия в клетках человека с помощью эндонуклеазы, управляемой РНК Cas9». Природная биотехнология . 31 (3): 230–2. дои : 10.1038/nbt.2507. PMID  23360966. S2CID  10165663.
  23. ^ Мали П., Эсвелт К.М., генеральный директор Церкви (октябрь 2013 г.). «Cas9 как универсальный инструмент инженерной биологии». Природные методы . 10 (10): 957–63. дои : 10.1038/nmeth.2649. ПМК 4051438 . ПМИД  24076990. 
  24. ^ Блан-Матье, Ромен; Дюма, Рено; Турчи, Лаура; Лукас, Жереми; Парси, Франсуа (июль 2023 г.). «Plant-TFClass: структурная классификация факторов транскрипции растений». Тенденции в науке о растениях . doi :10.1016/j.tplants.2023.06.023.

Внешние ссылки