stringtranslate.com

ДНК-связывающий белок

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

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

Примеры

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

Неспецифические ДНК-белковые взаимодействия

Структурные белки, связывающие ДНК, являются хорошо изученными примерами неспецифических ДНК-белковых взаимодействий. Внутри хромосом ДНК удерживается 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 задействовано 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 формируются посредством основных остатков в гистонах, образующих ионные связи с кислым сахарофосфатным остовом ДНК, и, следовательно, 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, сгибают и образуют петли ДНК для выполнения ее биологических функций. [14] [15] Эти белки важны для изгибания массивов нуклеосом и их организации в более крупные структуры, которые образуют хромосомы. [16] Недавно было также показано, что связывающий белок FK506 25 (FBP25) неспецифически связывается с ДНК, что помогает в восстановлении ДНК. [17]

Белки, которые специфически связывают одноцепочечную ДНК

Отдельная группа ДНК-связывающих белков — это ДНК-связывающие белки, которые специфически связывают одноцепочечную ДНК. У людей репликационный белок A является наиболее изученным членом этого семейства и используется в процессах, где двойная спираль разделяется, включая репликацию ДНК, рекомбинацию и репарацию ДНК. [18] Эти связывающие белки, по-видимому, стабилизируют одноцепочечную ДНК и защищают ее от образования петель или деградации нуклеазами .

Связывание с определенными последовательностями ДНК

ДНК-контакты различных типов ДНК-связывающих доменов из факторов транскрипции

Напротив, другие белки эволюционировали, чтобы связываться с определенными последовательностями ДНК. Наиболее интенсивно изучаются из них различные факторы транскрипции , которые являются белками, которые регулируют транскрипцию. Каждый фактор транскрипции связывается с одним определенным 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 связывать РНК-полимеразу, ответственную за транскрипцию, либо напрямую, либо через другие белки-медиаторы; это локализует полимеразу на промоторе и позволяет ей начать транскрипцию. [19] Альтернативно, факторы транскрипции могут связывать ферменты , которые модифицируют гистоны на промоторе. Это изменяет доступность ДНК-матрицы для полимеразы. [20]

Эти ДНК-мишени могут встречаться по всему геному организма. Таким образом, изменения в активности одного типа фактора транскрипции могут влиять на тысячи генов. [21] Таким образом, эти белки часто являются мишенями процессов передачи сигнала , которые контролируют ответы на изменения окружающей среды или клеточную дифференциацию и развитие. Специфичность взаимодействий этих факторов транскрипции с ДНК исходит из того, что белки устанавливают множественные контакты с краями оснований ДНК, что позволяет им считывать последовательность ДНК. Большинство этих взаимодействий оснований происходит в большой бороздке, где основания наиболее доступны. [22] Математические описания связывания белка с ДНК с учетом специфичности последовательности, а также конкурентного и кооперативного связывания белков разных типов обычно выполняются с помощью решетчатых моделей . [23] Были предложены вычислительные методы для определения специфичности последовательности связывания ДНК, чтобы эффективно использовать обильные данные о последовательностях в постгеномную эпоху. [24] Кроме того, был достигнут прогресс в прогнозировании специфичности связывания на основе структуры для разных семейств белков с использованием глубокого обучения. [25]

Взаимодействие белков и ДНК

Взаимодействие белок–ДНК происходит, когда белок связывается с молекулой ДНК , часто для регулирования биологической функции ДНК, обычно экспрессии гена . Среди белков, которые связываются с ДНК, есть факторы транскрипции , которые активируют или подавляют экспрессию генов, связываясь с мотивами ДНК и гистонами , которые образуют часть структуры ДНК и связываются с ней менее специфично. Также белки, которые восстанавливают ДНК, такие как урацил- ДНК -гликозилаза, тесно взаимодействуют с ней.

В целом, белки связываются с ДНК в большой бороздке ; однако, есть исключения. [26] Взаимодействие белка с ДНК в основном бывает двух типов: специфическое взаимодействие или неспецифическое взаимодействие. Недавние эксперименты с одиночными молекулами показали, что связывающие ДНК белки подвергаются быстрому повторному связыванию для связывания в правильной ориентации для распознавания целевого сайта. [27]

Дизайн

Разработка ДНК-связывающих белков, имеющих определенный сайт связывания ДНК, была важной целью биотехнологии. Цинковые пальцеобразные белки были разработаны для связывания с определенными последовательностями ДНК, и это является основой нуклеаз цинковых пальцев . Недавно были созданы эффекторные нуклеазы, подобные активаторам транскрипции (TALEN), которые основаны на природных белках, секретируемых бактериями Xanthomonas через их систему секреции типа III, когда они заражают различные виды растений . [28]

Методы обнаружения

Существует множество методов in vitro и in vivo , которые полезны для обнаружения ДНК-белковых взаимодействий. Ниже перечислены некоторые методы, используемые в настоящее время: [29] Анализ сдвига электрофоретической подвижности (EMSA) является широко распространенным качественным методом изучения белок-ДНК-взаимодействий известных ДНК-связывающих белков. [30] [31] ДНК-белково-ферментный иммуносорбентный анализ (DPI-ELISA) позволяет проводить качественный и количественный анализ ДНК-связывающих предпочтений известных белков in vitro . [32] [33] Этот метод позволяет анализировать белковые комплексы, которые связываются с ДНК (DPI-Recruitment-ELISA) или подходит для автоматизированного скрининга нескольких нуклеотидных зондов благодаря своему стандартному формиату для планшетов ELISA. [34] [35] Анализ футпринтинга ДНКазы может использоваться для идентификации конкретных участков связывания белка с ДНК при разрешении пар оснований. [36] 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 он известен как ChIP-chip . Дрожжевая одногибридная система (Y1H) используется для определения того, какой белок связывается с определенным фрагментом ДНК. Бактериальная одногибридная система (B1H) используется для определения того, какой белок связывается с определенным фрагментом ДНК. Определение структуры с помощью рентгеновской кристаллографии использовалось для получения высокодетального атомного представления о взаимодействиях белок-ДНК. Помимо этих методов, другие методы, такие как SELEX, PBM (микрочипы связывания белков), скрининг микрочипов ДНК, DamID, FAIRE или совсем недавно DAP-seq, используются в лаборатории для исследования взаимодействия ДНК-белок in vivo и in vitro .

Манипулирование взаимодействиями

Взаимодействие белок–ДНК можно модулировать с помощью стимулов, таких как ионная сила буфера, макромолекулярное скопление, [27] температура, pH и электрическое поле. Это может привести к обратимой диссоциации/ассоциации комплекса белок–ДНК. [37] [38]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Создано из PDB 1LMB
  2. ^ Создано из PDB 1RVA
  3. ^ Трэверс, А.А. (1993). ДНК-белковые взаимодействия . Лондон: Springer. 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 она читается». Sci Am . 249 (6): 94–111. Bibcode : 1983SciAm.249f..94D. doi : 10.1038/scientificamerican1283-94.
  6. ^ Циммер К., Вэнерт У. (1986). «Неинтеркалирующие ДНК-связывающие лиганды: специфичность взаимодействия и их использование в качестве инструментов в биофизических, биохимических и биологических исследованиях генетического материала». Prog. Biophys. Mol. Biol . 47 (1): 31–112. doi : 10.1016/0079-6107(86)90005-2 . PMID  2422697.
  7. ^ Dervan PB (апрель 1986). «Проектирование молекул, связывающих специфичные последовательности ДНК». Science . 232 (4749): 464–71. Bibcode :1986Sci...232..464D. doi :10.1126/science.2421408. PMID  2421408.
  8. ^ Sandman K, Pereira S, Reeve J (1998). «Разнообразие прокариотических хромосомных белков и происхождение нуклеосомы». Cell Mol Life Sci . 54 (12): 1350–64. doi :10.1007/s000180050259. PMC 11147202. PMID 9893710.  S2CID 21101836  . 
  9. ^ Dame RT (2005). «Роль белков, ассоциированных с нуклеоидами, в организации и уплотнении бактериального хроматина». Mol. Microbiol . 56 (4): 858–70. doi :10.1111/j.1365-2958.2005.04598.x. PMID  15853876.
  10. ^ Luger K, Mäder A, Richmond R, Sargent D, Richmond T (1997). «Кристаллическая структура частицы ядра нуклеосомы при разрешении 2,8 А». Nature . 389 (6648): 251–60. Bibcode :1997Natur.389..251L. doi :10.1038/38444. PMID  9305837. S2CID  4328827.
  11. ^ Jenuwein T, Allis C (2001). «Трансляция кода гистонов». Science . 293 (5532): 1074–80. CiteSeerX 10.1.1.453.900 . doi :10.1126/science.1063127. PMID  11498575. S2CID  1883924. 
  12. ^ Ito T (2003). «Сборка и ремоделирование нуклеосом». Белковые комплексы, модифицирующие хроматин . Текущие темы микробиологии и иммунологии. Том 274. С. 1–22. doi :10.1007/978-3-642-55747-7_1. ISBN 978-3-642-62909-9. PMID  12596902. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  13. ^ Томас Дж (2001). «HMG1 и 2: архитектурные ДНК-связывающие белки». Biochem Soc Trans . 29 (Pt 4): 395–401. doi :10.1042/BST0290395. PMID  11497996.
  14. ^ Murugesapillai, Divakaran; McCauley, Micah J.; Huo, Ran; Nelson Holte, Molly H.; Stepanyants, Armen; Maher, L. James; Israeloff, Nathan E.; Williams, Mark C. (2014). «ДНК-мостики и петли с помощью HMO1 обеспечивают механизм стабилизации хроматина, свободного от нуклеосом». Nucleic Acids Research . 42 (14): 8996–9004. doi :10.1093/nar/gku635. PMC 4132745. PMID  25063301 . 
  15. ^ Муругесапиллай, Дивакаран; Макколи, Мика Дж.; Махер, Л. Джеймс; Уильямс, Марк К. (2017). «Исследования отдельных молекул высокомобильных архитектурных белков изгибания ДНК группы B». Biophysical Reviews . 9 (1): 17–40. doi :10.1007/s12551-016-0236-4. PMC 5331113 . PMID  28303166. 
  16. ^ Grosschedl R, Giese K, Pagel J (1994). "HMG-доменные белки: архитектурные элементы в сборке структур нуклеопротеинов". Trends Genet . 10 (3): 94–100. doi :10.1016/0168-9525(94)90232-1. PMID  8178371.
  17. ^ Пракаш, Аджит; Шин, Джун; Раджан, Шрикант; Юн, Хо Суп (2016-04-07). «Структурная основа распознавания нуклеиновых кислот FK506-связывающим белком 25 (FKBP25), ядерным иммунофилином». Nucleic Acids Research . 44 (6): 2909–2925. doi :10.1093/nar/gkw001. ISSN  0305-1048. PMC 4824100. PMID 26762975  . 
  18. ^ Iftode C, Daniely Y, Borowiec J (1999). «Репликационный белок A (RPA): эукариотический SSB». Crit Rev Biochem Mol Biol . 34 (3): 141–80. doi :10.1080/10409239991209255. PMID  10473346.
  19. ^ Майерс Л., Корнберг Р. (2000). «Медиатор транскрипционной регуляции». Annu Rev Biochem . 69 (1): 729–49. doi :10.1146/annurev.biochem.69.1.729. PMID  10966474.
  20. ^ Шпигельман Б., Генрих Р. (2004). «Биологический контроль через регулируемые транскрипционные коактиваторы». Cell . 119 (2): 157–67. doi : 10.1016/j.cell.2004.09.037 . PMID  15479634. S2CID  14668705.
  21. ^ Li Z, Van Calcar S, Qu C, Cavenee W, Zhang M, Ren B (2003). «Глобальная транскрипционная регуляторная роль c-Myc в клетках лимфомы Беркитта». Proc Natl Acad Sci USA . 100 (14): 8164–9. Bibcode : 2003PNAS..100.8164L. doi : 10.1073/pnas.1332764100 . PMC 166200. PMID  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. ^ Teif VB; Rippe K. (2010). "Статистически-механические решеточные модели для связывания белка с ДНК в хроматине". Journal of Physics: Condensed Matter . 22 (41): 414105. arXiv : 1004.5514 . Bibcode : 2010JPCM...22O4105T. doi : 10.1088/0953-8984/22/41/414105. PMID  21386588. S2CID  103345.
  24. ^ Wong KC, Chan TM, Peng C, Li Y, Zhang Z (2013). «Выяснение мотива ДНК с использованием распространения убеждений». Nucleic Acids Research . 41 (16): e153. doi :10.1093/nar/gkt574. PMC 3763557. PMID  23814189 . 
  25. ^ Митра, Рактим; Ли, Джинсен; Сагендорф, Джаред М.; Цзян, Ибэй; Коэн, Ари С.; Чиу, Цу-Пэй; Гласскок, Кэмерон Дж.; Рохс, Ремо (2024-08-05). «Геометрическое глубокое обучение специфичности связывания белка и ДНК». Nature Methods : 1–10. doi : 10.1038/s41592-024-02372-w . ISSN  1548-7091. PMC 11399107 . 
  26. ^ Bewley CA, Gronenborn AM, Clore GM (1998). «Архитектурные белки, связывающиеся с малой бороздкой: структура, функция и распознавание ДНК». Annu Rev Biophys Biomol Struct . 27 : 105–31. doi :10.1146/annurev.biophys.27.1.105. PMC 4781445. PMID  9646864 . 
  27. ^ ab Ganji, Mahipal; Docter, Margreet; Le Grice, Stuart FJ; Abbondanzieri, Elio A. (2016-09-30). «ДНК-связывающие белки исследуют множественные локальные конфигурации во время стыковки посредством быстрого повторного связывания». Nucleic Acids Research . 44 (17): 8376–8384. doi :10.1093/nar/gkw666. ISSN  0305-1048. PMC 5041478. PMID 27471033  . 
  28. ^ Кларк К. Дж., Войтас Д. Ф., Эккер С. К. (сентябрь 2011 г.). «РАССКАЗ о двух нуклеазах: нацеливание генов на массы?». Zebrafish . 8 (3): 147–9. doi :10.1089/zeb.2011.9993. PMC 3174730 . PMID  21929364. 
  29. ^ Cai YH, Huang H (июль 2012 г.). «Достижения в изучении взаимодействия белка и ДНК». Аминокислоты . 43 (3): 1141–6. doi :10.1007/s00726-012-1377-9. PMID  22842750. S2CID  310256.
  30. ^ Fried M, Crothers DM (1981). "Равновесия и кинетика взаимодействий lac-репрессора и оператора с помощью электрофореза в полиакриламидном геле". Nucleic Acids Res . 9 (23): 6505–6525. doi :10.1093/nar/9.23.6505. PMC 327619. PMID  6275366 . 
  31. ^ Гарнер ММ, Ревзин А (1981). «Метод гель-электрофореза для количественной оценки связывания белков со специфическими областями ДНК: применение к компонентам регуляторной системы лактозного оперона Escherichia coli». Nucleic Acids Res . 9 (13): 3047–3060. doi :10.1093/nar/9.13.3047. PMC 327330. PMID  6269071 . 
  32. ^ Brand LH, Kirchler T, Hummel S, Chaban C, Wanke D (2010). "DPI-ELISA: быстрый и универсальный метод определения связывания факторов транскрипции растений с ДНК in vitro". Plant Methods . 25 (6): 25. doi : 10.1186/1746-4811-6-25 . PMC 3003642 . PMID  21108821. 
  33. ^ Фишер SM, Бёзер A, Хирш JP, Ванке D (2016). "Количественный анализ взаимодействия белка и ДНК с помощью qDPI-ELISA". Растительные синтетические промоторы . Методы Mol. Biol. Т. 1482. С. 49–66. doi :10.1007/978-1-4939-6396-6_4. ISBN 978-1-4939-6394-2. PMID  27557760.
  34. ^ Hecker A, Brand LH, Peter S, Simoncello N, Kilian J, Harter K, Gaudin V, Wanke D (2015). "Фактор связывания GAGA Arabidopsis BASIC PENTACYSTEINE6 привлекает компонент POLYCOMB-REPRESSIVE COMPLEX1, как HETEROCHROMATIN PROTEIN1, к мотивам ДНК GAGA". Plant Physiol . 163 (3): 1013–1024. doi : 10.1104/pp.15.00409 . PMC 4741334. PMID  26025051 . 
  35. ^ Brand LH, Henneges C, Schüssler A, Kolukisaoglu HÜ, Koch G, Wallmeroth N, Hecker A, Thurow K, Zell A, Harter K, Wanke D (2013). "Скрининг взаимодействий белок-ДНК с помощью автоматизированного ИФА-анализа взаимодействия ДНК-белок". PLOS ONE . 8 (10): e75177. Bibcode : 2013PLoSO...875177B. doi : 10.1371/journal.pone.0075177 . PMC 3795721. PMID  24146751 . 
  36. ^ Galas DJ, Schmitz A (1978). «ДНКазный футпринтинг: простой метод обнаружения специфичности связывания белка с ДНК». Nucleic Acids Res . 5 (9): 3157–3170. doi :10.1093/nar/5.9.3157. PMC 342238. PMID  212715 . 
  37. ^ Хианик Т, Ван Дж (2009). «Электрохимические аптасенсоры – последние достижения и перспективы». Электроанализ . 21 (11): 1223–1235. doi :10.1002/elan.200904566.
  38. ^ Gosai A, et al. (2016). "Связывание/рассоединение комплекса человеческий тромбин-аптамер, контролируемое электрическим стимулом". Sci. Rep . 6 : 37449. Bibcode :2016NatSR...637449G. doi :10.1038/srep37449. PMC 5118750 . PMID  27874042. 

Внешние ссылки