stringtranslate.com

ДНК-связывающий белок

Комплекс кропротеина с ДНК
Взаимодействие ДНК (оранжевый) с гистонами (синий). Основные аминокислоты этих белков связываются с кислотными фосфатными группами ДНК.
Фактор транскрипции спираль-поворот-спираль лямбда - репрессора связан со своей ДНК-мишенью [1]
Фермент рестрикции EcoRV (зеленый) в комплексе с ДНК-субстратом [2]

ДНК-связывающие белки — это белки , которые имеют ДНК-связывающие домены и, таким образом, обладают специфическим или общим сродством к одно- или двухцепочечной ДНК . [3] [4] [5] ДНК-связывающие белки, специфичные для последовательности, обычно взаимодействуют с большой бороздкой B -ДНК , поскольку она открывает больше функциональных групп , которые идентифицируют пару оснований . [6] [7]

Примеры

ДНК-связывающие белки включают факторы транскрипции , которые модулируют процесс транскрипции, различные полимеразы , нуклеазы , расщепляющие молекулы ДНК, и гистоны , которые участвуют в упаковке хромосом и транскрипции в ядре клетки . ДНК-связывающие белки могут включать в себя такие домены, как цинковый палец , спираль-поворот-спираль и лейциновую застежку (среди многих других), которые облегчают связывание с нуклеиновой кислотой. Есть и более необычные примеры, такие как активаторы транскрипции, подобные эффекторам .

Неспецифические ДНК-белковые взаимодействия

Структурные белки, связывающие ДНК, являются хорошо изученными примерами неспецифических взаимодействий ДНК-белок. Внутри хромосом ДНК содержится в комплексах со структурными белками. Эти белки организуют ДНК в компактную структуру, называемую хроматином . У эукариот эта структура включает связывание ДНК с комплексом небольших основных белков, называемых гистонами . У прокариот задействованы несколько типов белков. [8] [9] Гистоны образуют дискообразный комплекс, называемый нуклеосомой , который содержит два полных витка двухцепочечной ДНК, обернутых вокруг его поверхности. Эти неспецифические взаимодействия образуются посредством основных остатков в гистонах, образующих ионные связи с кислым сахарофосфатным остовом ДНК, и поэтому в значительной степени независимы от последовательности оснований. [10] Химические модификации этих основных аминокислотных остатков включают метилирование , фосфорилирование и ацетилирование . [11] Эти химические изменения изменяют силу взаимодействия между ДНК и гистонами, делая ДНК более или менее доступной для факторов транскрипции и изменяя скорость транскрипции. [12] Другие неспецифические ДНК-связывающие белки в хроматине включают белки группы высокой подвижности (HMG), которые связываются с изогнутой или искаженной ДНК. [13] Биофизические исследования показывают, что эти архитектурные белки HMG связывают, изгибают и образуют петли ДНК, выполняя ее биологические функции. [14] [15] Эти белки играют важную роль в изгибании массивов нуклеосом и их организации в более крупные структуры, которые образуют хромосомы. [16] Недавно было показано, что FK506-связывающий белок 25 (FBP25) неспецифически связывается с ДНК, что способствует восстановлению ДНК. [17]

Белки, специфически связывающие одноцепочечную ДНК.

Отдельной группой ДНК-связывающих белков являются ДНК-связывающие белки, которые специфически связывают одноцепочечную ДНК. У людей репликационный белок А является наиболее изученным членом этого семейства и используется в процессах разделения двойной спирали, включая репликацию ДНК, рекомбинацию и репарацию ДНК. [18] Эти связывающие белки, по-видимому, стабилизируют одноцепочечную ДНК и защищают ее от образования стеблевых петель или разрушения нуклеазами .

Связывание со специфическими последовательностями ДНК

ДНК-контакты разных типов ДНК-связывающих доменов транскрипционных факторов

Напротив, другие белки эволюционировали, чтобы связываться со специфическими последовательностями ДНК. Наиболее интенсивно изучаются различные факторы транскрипции , представляющие собой белки, регулирующие транскрипцию. Каждый фактор транскрипции связывается с одним конкретным набором последовательностей ДНК и активирует или ингибирует транскрипцию генов, которые имеют эти последовательности вблизи своих промоторов. Факторы транскрипции делают это двумя способами. Во-первых, они могут связываться с РНК-полимеразой, ответственной за транскрипцию, либо напрямую, либо через другие белки-медиаторы; это обнаруживает полимеразу у промотора и позволяет ей начать транскрипцию. [19] Альтернативно, факторы транскрипции могут связывать ферменты , которые модифицируют гистоны в промоторе. Это изменяет доступность матрицы ДНК для полимеразы. [20]

Эти мишени ДНК могут встречаться по всему геному организма. Таким образом, изменения активности одного типа транскрипционных факторов могут затронуть тысячи генов. [21] Таким образом, эти белки часто являются мишенями процессов передачи сигнала , которые контролируют реакцию на изменения окружающей среды или клеточную дифференцировку и развитие. Специфичность взаимодействия этих факторов транскрипции с ДНК обусловлена ​​тем, что белки устанавливают множественные контакты с краями оснований ДНК, что позволяет им читать последовательность ДНК. Большинство этих взаимодействий с основаниями происходит в основной бороздке, где основания наиболее доступны. [22] Математическое описание связывания белок-ДНК с учетом специфичности последовательности, а также конкурентного и кооперативного связывания белков разных типов обычно выполняется с помощью решетчатых моделей . [23] Вычислительные методы для определения специфичности ДНК-связывающей последовательности были предложены для эффективного использования обильных данных о последовательностях в постгеномную эпоху. [24]

Взаимодействия белок-ДНК

Взаимодействия белок-ДНК происходят, когда белок связывает молекулу ДНК , часто для регулирования биологической функции ДНК, обычно экспрессии гена . Среди белков, связывающихся с ДНК, есть факторы транскрипции , которые активируют или подавляют экспрессию генов путем связывания с мотивами ДНК и гистонами , которые составляют часть структуры ДНК и связываются с ней менее специфично. Также с ней тесно взаимодействуют белки, восстанавливающие ДНК, такие как урацил-ДНК-гликозилаза .

Обычно белки связываются с ДНК в большой бороздке ; однако есть исключения. [25] Взаимодействие белок-ДНК бывает в основном двух типов: специфическое взаимодействие или неспецифическое взаимодействие. Недавние эксперименты с одиночными молекулами показали, что ДНК-связывающие белки подвергаются быстрому повторному связыванию, чтобы связаться в правильной ориентации для распознавания целевого сайта. [26]

Дизайн

Создание ДНК-связывающих белков, имеющих определенный сайт связывания ДНК, было важной целью биотехнологии. Белки с цинковыми пальцами были разработаны для связывания со специфическими последовательностями ДНК, и это является основой нуклеаз с цинковыми пальцами . Недавно были созданы эффекторные нуклеазы, подобные активатору транскрипции (TALEN), которые основаны на природных белках , секретируемых бактериями Xanthomonas через систему секреции типа III при заражении различных видов растений . [27]

Методы обнаружения

Существует множество методов in vitro и in vivo , которые полезны для обнаружения взаимодействий ДНК-белок. Ниже перечислены некоторые методы, используемые в настоящее время: [28] Анализ электрофоретического сдвига подвижности (EMSA) является широко распространенным качественным методом изучения белок-ДНК-взаимодействий известных ДНК-связывающих белков. [29] [30] ДНК-белковое взаимодействие – иммуноферментный анализ (DPI-ELISA) позволяет качественно и количественно анализировать ДНК-связывающие предпочтения известных белков in vitro . [31] [32] Этот метод позволяет анализировать белковые комплексы, которые связываются с ДНК (DPI-Recruitment-ELISA) или подходит для автоматического скрининга нескольких нуклеотидных зондов благодаря стандартному формиату планшета ELISA [33] [34] . Анализ ДНКазного следа можно использовать для идентификации конкретных сайтов связывания белка с ДНК при разрешении пар оснований. [35] Иммунопреципитация хроматина используется для идентификации in vivo целевых областей ДНК известного фактора транскрипции. Этот метод в сочетании с высокопроизводительным секвенированием известен как ChIP-Seq , а в сочетании с микрочипами — как ChIP-чип . Дрожжевая одногибридная система (Y1H) используется для определения того, какой белок связывается с конкретным фрагментом ДНК. Бактериальная одногибридная система (B1H) используется для определения того, какой белок связывается с тем или иным фрагментом ДНК. Определение структуры с помощью рентгеновской кристаллографии использовалось для получения очень детального атомного представления о взаимодействиях белок-ДНК. Помимо этих методов, в лаборатории для исследования взаимодействия ДНК-белок in vivo и in vitro используются другие методы, такие как SELEX, PBM (микрочипы, связывающие белки), скрининг ДНК-микрочипов, DamID, FAIRE или, в последнее время, DAP-seq .

Управление взаимодействиями

Взаимодействия белок-ДНК можно модулировать с помощью таких стимулов, как ионная сила буфера, скученность макромолекул, [26] температура, pH и электрическое поле. Это может привести к обратимой диссоциации/ассоциации комплекса белок-ДНК. [36] [37]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Создано на основе PDB 1LMB.
  2. ^ Создано на основе PDB 1RVA.
  3. ^ Трэверс, А.А. (1993). ДНК-белковые взаимодействия . Лондон: Спрингер. ISBN 978-0-412-25990-6.
  4. ^ Пабо CO, Sauer RT (1984). «Распознавание белка-ДНК». Анну. Преподобный Биохим . 53 (1): 293–321. doi : 10.1146/annurev.bi.53.070184.001453. ПМИД  6236744.
  5. ^ Дикерсон RE (1983). «Спираль ДНК и как ее читать». Sci Am . 249 (6): 94–111. Бибкод : 1983SciAm.249f..94D. doi : 10.1038/scientificamerican1283-94.
  6. ^ Циммер С., Венерт Ю (1986). «Неинтеркалирующие ДНК-связывающие лиганды: специфика взаимодействия и их использование в качестве инструментов в биофизических, биохимических и биологических исследованиях генетического материала». Прог. Биофиз. Мол. Биол . 47 (1): 31–112. дои : 10.1016/0079-6107(86)90005-2 . ПМИД  2422697.
  7. ^ Дерван П.Б. (апрель 1986 г.). «Дизайн ДНК-связывающих молекул со специфичной последовательностью». Наука . 232 (4749): 464–71. Бибкод : 1986Sci...232..464D. дои : 10.1126/science.2421408. ПМИД  2421408.
  8. ^ Сэндман К., Перейра С., Рив Дж. (1998). «Разнообразие прокариотических хромосомных белков и происхождение нуклеосомы». Cell Mol Life Sci . 54 (12): 1350–64. дои : 10.1007/s000180050259. PMID  9893710. S2CID  21101836.
  9. ^ Дама RT (2005). «Роль нуклеоид-ассоциированных белков в организации и уплотнении бактериального хроматина». Мол. Микробиол . 56 (4): 858–70. дои : 10.1111/j.1365-2958.2005.04598.x. ПМИД  15853876.
  10. ^ Люгер К., Мэдер А., Ричмонд Р., Сарджент Д., Ричмонд Т. (1997). «Кристаллическая структура ядра нуклеосомы при разрешении 2,8 А». Природа . 389 (6648): 251–60. Бибкод : 1997Natur.389..251L. дои : 10.1038/38444. PMID  9305837. S2CID  4328827.
  11. ^ Дженувейн Т., Эллис С. (2001). «Перевод гистонового кода». Наука . 293 (5532): 1074–80. CiteSeerX 10.1.1.453.900 . дои : 10.1126/science.1063127. PMID  11498575. S2CID  1883924. 
  12. ^ Ито Т (2003). «Сборка и ремоделирование нуклеосом». Белковые комплексы, модифицирующие хроматин . Актуальные темы микробиологии и иммунологии. Том. 274. стр. 1–22. дои : 10.1007/978-3-642-55747-7_1. ISBN 978-3-642-62909-9. ПМИД  12596902. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
  13. ^ Томас Дж (2001). «HMG1 и 2: архитектурные ДНК-связывающие белки». Биохим Соц Транс . 29 (Часть 4): 395–401. дои : 10.1042/BST0290395. ПМИД  11497996.
  14. ^ Муругесапиллай, Дивакаран; МакКоли, Мика Дж.; Хо, Ран; Нельсон Холт, Молли Х.; Степанянц, Армен; Махер, Л. Джеймс; Исраэлофф, Натан Э.; Уильямс, Марк К. (2014). «Соединение ДНК и образование петель с помощью HMO1 обеспечивает механизм стабилизации безнуклеосомного хроматина». Исследования нуклеиновых кислот . 42 (14): 8996–9004. дои : 10.1093/nar/gku635. ПМЦ 4132745 . ПМИД  25063301. 
  15. ^ Муругесапиллай, Дивакаран; МакКоли, Мика Дж.; Махер, Л. Джеймс; Уильямс, Марк К. (2017). «Одномолекулярные исследования высокомобильных белков, изгибающих архитектурную ДНК группы B». Биофизические обзоры . 9 (1): 17–40. дои : 10.1007/s12551-016-0236-4. ПМК 5331113 . ПМИД  28303166. 
  16. ^ Гроссшедл Р., Гизе К., Пейджел Дж. (1994). «Белки домена HMG: архитектурные элементы сборки нуклеопротеиновых структур». Тенденции Жене . 10 (3): 94–100. дои : 10.1016/0168-9525(94)90232-1. ПМИД  8178371.
  17. ^ Пракаш, Аджит; Шин, Джун; Раджан, Шрикант; Юн, Хо Соп (07 апреля 2016 г.). «Структурные основы распознавания нуклеиновых кислот FK506-связывающим белком 25 (FKBP25), ядерным иммунофилином». Исследования нуклеиновых кислот . 44 (6): 2909–2925. дои : 10.1093/nar/gkw001. ISSN  0305-1048. ПМК 4824100 . ПМИД  26762975. 
  18. ^ Ифтоде С., Дэниели Ю., Боровец Дж. (1999). «Репликационный белок A (RPA): эукариотический SSB». Crit Rev Biochem Mol Biol . 34 (3): 141–80. дои : 10.1080/10409239991209255. ПМИД  10473346.
  19. ^ Майерс Л., Корнберг Р. (2000). «Медиатор регуляции транскрипции». Анну Рев Биохим . 69 (1): 729–49. doi :10.1146/annurev.biochem.69.1.729. ПМИД  10966474.
  20. ^ Шпигельман Б, Генрих Р. (2004). «Биологический контроль посредством регулируемых коактиваторов транскрипции». Клетка . 119 (2): 157–67. дои : 10.1016/j.cell.2004.09.037 . PMID  15479634. S2CID  14668705.
  21. ^ Ли З, Ван Калкар С, Цюй С, Кавени В, Чжан М, Рен Б (2003). «Глобальная регуляторная роль транскрипции c-Myc в клетках лимфомы Беркитта». Proc Natl Acad Sci США . 100 (14): 8164–9. Бибкод : 2003PNAS..100.8164L. дои : 10.1073/pnas.1332764100 . ПМК 166200 . ПМИД  12808131. 
  22. ^ Пабо С., Зауэр Р. (1984). «Распознавание белка-ДНК». Анну Рев Биохим . 53 (1): 293–321. doi : 10.1146/annurev.bi.53.070184.001453. ПМИД  6236744.
  23. ^ Тейф В.Б.; Риппе К. (2010). «Статистически-механические решетчатые модели связывания белка с ДНК в хроматине». Физический журнал: конденсированное вещество . 22 (41): 414105. arXiv : 1004.5514 . Бибкод : 2010JPCM...22O4105T. дои : 10.1088/0953-8984/22/41/414105. PMID  21386588. S2CID  103345.
  24. ^ Вонг К.К., Чан ТМ, Пэн С., Ли Ю, Чжан З (2013). «Выяснение мотивов ДНК с использованием распространения убеждений». Исследования нуклеиновых кислот . 41 (16): е153. дои : 10.1093/nar/gkt574. ПМЦ 3763557 . ПМИД  23814189. 
  25. ^ Бьюли, Калифорния, Гроненборн А.М., Клор Г.М. (1998). «Архитектурные белки, связывающие малые бороздки: структура, функции и распознавание ДНК». Annu Rev Biophys Biomol Struct . 27 : 105–31. doi :10.1146/annurev.biophys.27.1.105. ПМЦ 4781445 . ПМИД  9646864. 
  26. ^ аб Ганджи, Махипал; Доктер, Маргрит; Ле Грайс, Стюарт Ф.Дж.; Аббонданциери, Элио А. (30 сентября 2016 г.). «ДНК-связывающие белки исследуют множество локальных конфигураций во время стыковки посредством быстрого повторного связывания». Исследования нуклеиновых кислот . 44 (17): 8376–8384. дои : 10.1093/nar/gkw666. ISSN  0305-1048. ПМК 5041478 . ПМИД  27471033. 
  27. ^ Кларк К.Дж., Войтас Д.Ф., Эккер СК (сентябрь 2011 г.). «СКАЗКА о двух нуклеазах: нацеливание генов на массы?». Рыбка данио . 8 (3): 147–9. дои : 10.1089/zeb.2011.9993. ПМК 3174730 . ПМИД  21929364. 
  28. ^ Цай Ю.Х., Хуан Х. (июль 2012 г.). «Достижения в изучении взаимодействия белка и ДНК». Аминокислоты . 43 (3): 1141–6. дои : 10.1007/s00726-012-1377-9. PMID  22842750. S2CID  310256.
  29. ^ Фрид М., Крозерс DM (1981). «Равновесия и кинетика взаимодействия lac-репрессора и оператора с помощью электрофореза в полиакриламидном геле». Нуклеиновые кислоты Рез . 9 (23): 6505–6525. дои : 10.1093/нар/9.23.6505. ПМК 327619 . ПМИД  6275366. 
  30. ^ Гарнер М.М., Ревзин А. (1981). «Метод гель-электрофореза для количественной оценки связывания белков со специфическими областями ДНК: применение к компонентам регуляторной системы лактозного оперона Escherichia coli». Нуклеиновые кислоты Рез . 9 (13): 3047–3060. дои : 10.1093/нар/9.13.3047. ПМК 327330 . ПМИД  6269071. 
  31. ^ Брэнд Л.Х., Кирхлер Т., Хаммель С., Чабан С., Ванке Д. (2010). «DPI-ELISA: быстрый и универсальный метод определения связывания факторов транскрипции растений с ДНК in vitro». Растительные методы . 25 (6): 25. дои : 10.1186/1746-4811-6-25 . ПМЦ 3003642 . ПМИД  21108821. 
  32. ^ Фишер С.М., Бёзер А., Хирш Дж.П., Ванке Д. (2016). «Количественный анализ взаимодействия белка и ДНК с помощью qDPI-ELISA». Растительные синтетические промоторы . Методы Мол. Биол. Том. 1482. стр. 49–66. дои : 10.1007/978-1-4939-6396-6_4. ISBN 978-1-4939-6394-2. ПМИД  27557760.
  33. ^ Хекер А., Брэнд Л.Х., Питер С., Симончелло Н., Килиан Дж., Хартер К., Годен В., Ванке Д. (2015). «ГАГА-связывающий фактор арабидопсиса БАЗОВЫЙ ПЕНТАКИСТЕИН6 привлекает компонент ПОЛИКОМБ-РЕПРЕССИВНЫЙ КОМПЛЕКС1, КАК ГЕТЕРОХРОМАТИНОВЫЙ БЕЛОК1, к мотивам ДНК ГАГА». Физиол растений . 163 (3): 1013–1024. дои : 10.1104/стр.15.00409 . ПМЦ 4741334 . ПМИД  26025051. 
  34. ^ Брэнд Л.Х., Хеннегес С., Шюсслер А., Колукисаоглу Хю, Кох Г., Валлмерот Н., Хеккер А., Туроу К., Зелл А., Хартер К., Ванке Д. (2013). «Скрининг взаимодействий белок-ДНК с помощью автоматизированного ИФА на взаимодействие ДНК-белок». ПЛОС ОДИН . 8 (10): е75177. дои : 10.1371/journal.pone.0075177 . ПМЦ 3795721 . ПМИД  24146751. 
  35. ^ Galas DJ, Шмитц А (1978). «Отпечаток ДНКазы: простой метод определения специфичности связывания белок-ДНК». Нуклеиновые кислоты Рез . 5 (9): 3157–3170. дои : 10.1093/нар/5.9.3157. ПМЦ 342238 . ПМИД  212715. 
  36. ^ Хианик Т., Ван Дж (2009). «Электрохимические аптасенсоры – последние достижения и перспективы». Электроанализ . 21 (11): 1223–1235. дои : 10.1002/elan.200904566.
  37. ^ Госай А. и др. (2016). «Связывание/рассвязывание комплекса тромбин-аптамер человека, контролируемое электрическим стимулом». наук. Представитель . 6 : 37449. Бибкод : 2016NatSR...637449G. дои : 10.1038/srep37449. ПМК 5118750 . ПМИД  27874042. 

Внешние ссылки