stringtranslate.com

ДНК-связывающий белок из голодающих клеток

ДНК-связывающие белки из голодающих клеток (Dps) — это бактериальные белки, которые относятся к суперсемейству ферритинов и характеризуются большим сходством, но также и существенными отличиями по сравнению с «каноническими» ферритинами .

Белки Dps являются частью сложной системы защиты бактерий, которая защищает ДНК от окислительного повреждения и широко распространена в бактериальном царстве.

Описание

Dps — это высокосимметричные додекамерные белки массой 20 кДа, характеризующиеся оболочкой с тетраэдрической симметрией 2:3, собранной из идентичных субъединиц с внешним диаметром ~ 9 нм и центральной полостью диаметром ~ 4,5 нм. [2] [3] [4] Белки Dps относятся к суперсемейству ферритинов , и защита ДНК обеспечивается посредством двойного механизма:

Первый был обнаружен в Escherichia coli Dps в 1992 году [5] и дал название семейству белков ; во время стационарной фазы Dps неспецифически связывается с хромосомой , образуя высокоупорядоченный и стабильный сокристалл Dps- ДНК, внутри которого хромосомная ДНК конденсируется и защищена от различных повреждений. [6] Богатый лизином N-конец необходим для самоагрегации, а также для конденсации ДНК под действием Dps . [7]

Второй способ защиты обусловлен способностью белков Dps связывать и окислять Fe(II) в характерном, высококонсервативном межсубъединичном ферроксидазном центре. [8] [9]

Двуядерные центры ферроксидазы расположены на интерфейсах между субъединицами, связанными осями симметрии 2-го порядка. [10] Fe(II) изолируется и хранится в форме минерала оксигидроксида Fe(III), который может быть высвобожден после восстановления. В железном ядре минерала может быть отложено до 500 Fe(III). Одна перекись водорода окисляет два иона Fe2 + , что предотвращает образование гидроксильного радикала по реакции Фентона (реакция I):

2Fe2 + + H2O2 + 2H + = 2Fe3 + + 2H2O​

Dps также защищает клетку от ультрафиолетового и гамма-излучения , токсичности железа и меди, термического стресса, а также кислотных и щелочных шоков. [1] Также проявляет слабую активность каталазы.

Конденсация ДНК

Додекамеры Dps могут конденсировать ДНК in vitro посредством кооперативного механизма связывания . Удаление частей N-конца [7] или мутация ключевых остатков лизина в N-конце [11] может ухудшить или устранить конденсационную активность Dps. Исследования отдельных молекул показали, что комплексы Dps-ДНК могут попадать в ловушку в долгоживущих метастабильных состояниях, которые демонстрируют гистерезис. [12] Из-за этого степень конденсации ДНК Dps может зависеть не только от текущих условий буфера, но и от условий в прошлом. Для объяснения этого поведения связывания можно использовать модифицированную модель Изинга . Зарождение конденсации Dps на ДНК требует близкого расположения нескольких цепей ДНК (сходного размера с Dps). Например, Dps проявляет большее предпочтение к суперспирализованной ДНК, где две цепи ДНК находятся в более близком расположении. [13]

Выражение

В Escherichia coli белок Dps индуцируется rpoS и IHF в ранней стационарной фазе. Dps также индуцируется oxyR в ответ на окислительный стресс во время экспоненциальной фазы. ClpXP, вероятно, напрямую регулирует протеолиз dps во время экспоненциальной фазы. ClpAP, по-видимому, играет косвенную роль в поддержании текущего синтеза dps во время стационарной фазы

Приложения

Для синтеза наночастиц

Полости, образованные Dps и белками ферритина, успешно использовались в качестве реакционной камеры для изготовления металлических наночастиц (NP). [14] [15] [16] [17] Белковые оболочки служили шаблоном для ограничения роста частиц и покрытием для предотвращения коагуляции/агрегации между NP. Используя различные размеры белковых оболочек, можно легко синтезировать NP различных размеров для химических, физических и биомедицинских применений.

Для инкапсуляции ферментов

Природа использует архитектуры на основе белков для размещения ферментов внутри своей внутренней полости, например: инкапсулин и карбоксисомы. Вдохновляясь природой, полые внутренние полости клеток Dps и ферритина также использовались для инкапсуляции ферментов. [18] Цитохром C, гемопротеин с пероксидазоподобной активностью, при инкапсуляции внутри клетки Dps показал лучшую каталитическую активность в широком диапазоне pH по сравнению со свободным ферментом в объемном растворе. Такое поведение было приписано высокой локальной концентрации фермента внутри Dps и уникальной микросреде, обеспечиваемой внутренней полостью Dps. [19]

Для адресной доставки лекарств

Доставка груза в предполагаемое место назначения остается основной проблемой для адресной доставки лекарств из-за наличия биологических барьеров и эффектов повышенной проницаемости и удержания (EPR). Кроме того, образование белковой короны вокруг введенных наночастиц также является темой интереса в области адресной доставки. Исследователи пытались преодолеть эти проблемы, используя естественное биораспределение наночастиц белковой клетки для доставки груза. Например, было показано, что ДНК-связывающий белок из клетки с недостатком питательных веществ (Dps) пересекает барьер клубочковой фильтрации и нацеливается на проксимальные почечные канальцы. [20]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Ilari A, Stefanini S, Chiancone E, Tsernoglou D (январь 2000 г.). «Додекамерный ферритин из Listeria innocua содержит новый межсубъединичный сайт связывания железа». Nature Structural Biology . 7 (1): 38–43. doi :10.1038/71236. PMID  10625425. S2CID  52872968.
  2. ^ Grant RA, Filman DJ, Finkel SE, Kolter R, Hogle JM (апрель 1998 г.). «Кристаллическая структура Dps, гомолога ферритина, который связывает и защищает ДНК». Nature Structural Biology . 5 (4): 294–303. doi :10.1038/nsb0498-294. PMID  9546221. S2CID  26711707.
  3. ^ Chiancone E, Ceci P (август 2010 г.). «Многогранная способность белков Dps бороться с бактериальными стрессовыми состояниями: детоксикация железа и перекиси водорода и связывание ДНК». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects . 1800 (8): 798–805. doi :10.1016/j.bbagen.2010.01.013. PMID  20138126.
  4. ^ Chiancone E, Ceci P (январь 2010 г.). «Роль агрегации Dps (ДНК-связывающих белков из голодающих клеток) на ДНК». Frontiers in Bioscience . 15 (1): 122–31. doi : 10.2741/3610 . PMID  20036810.
  5. ^ Альмирон М., Линк А.Дж., Фурлонг Д., Колтер Р. (декабрь 1992 г.). «Новый ДНК-связывающий белок с регуляторными и защитными функциями у голодающих Escherichia coli». Гены и развитие . 6 (12B): 2646–54. doi : 10.1101/gad.6.12b.2646 . PMID  1340475.
  6. ^ Wolf SG, Frenkiel D, Arad T, Finkel SE, Kolter R, Minsky A (июль 1999). «Защита ДНК с помощью вызванной стрессом биокристаллизации». Nature . 400 (6739): 83–5. Bibcode :1999Natur.400...83W. doi :10.1038/21918. PMID  10403254. S2CID  204994265.
  7. ^ ab Ceci P, Cellai S, Falvo E, Rivetti C, Rossi GL, Chiancone E (2004). «Конденсация ДНК и самоагрегация Escherichia coli Dps — это сопряженные явления, связанные со свойствами N-конца». Nucleic Acids Research . 32 (19): 5935–44. doi :10.1093/nar/gkh915. PMC 528800 . PMID  15534364. 
  8. ^ Zhao G, Ceci P, Ilari A, Giangiacomo L, Laue TM, Chiancone E, Chasteen ND (август 2002 г.). «Свойства детоксикации железа и перекиси водорода ДНК-связывающего белка из голодающих клеток. Ферритин-подобный ДНК-связывающий белок Escherichia coli». Журнал биологической химии . 277 (31): 27689–96. doi : 10.1074/jbc.M202094200 . PMID  12016214.
  9. ^ Ceci P, Ilari A, Falvo E, Chiancone E (май 2003 г.). «Белок Dps Agrobacterium tumefaciens не связывается с ДНК, но защищает ее от окислительного расщепления: рентгеновская кристаллическая структура, связывание железа и свойства удаления гидроксильных радикалов». Журнал биологической химии . 278 (22): 20319–26. doi : 10.1074/jbc.M302114200 . PMID  12660233.
  10. ^ Nair S, Finkel SE (июль 2004 г.). «Dps защищает клетки от множественных стрессов во время стационарной фазы». Журнал бактериологии . 186 (13): 4192–8. doi :10.1128/JB.186.13.4192-4198.2004. PMC 421617. PMID  15205421 . 
  11. ^ Karas VO, Westerlaken I, Meyer AS (октябрь 2015 г.). «ДНК-связывающий белок из голодающих клеток (Dps) использует двойные функции для защиты клеток от множественных стрессов». Журнал бактериологии . 197 (19): 3206–15. doi : 10.1128/JB.00475-15. PMC 4560292. PMID  26216848. 
  12. ^ Vtyurina NN, Dulin D, Docter MW, Meyer AS, Dekker NH, Abbondanzieri EA (май 2016). "Hysteresis in DNA compaction by Dps is describe by an Ising model". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (18): 4982–7. Bibcode :2016PNAS..113.4982V. doi : 10.1073/pnas.1521241113 . PMC 4983820 . PMID  27091987. 
  13. ^ Шаху, Снеха (2024). «Мостиковые контакты ДНК позволяют Dps из E. coli конденсировать ДНК». Nucleic Acids Research . doi : 10.1093/nar/gkae223 . PMC 11077075 . Получено 15.04.2024 . 
  14. ^ Аллен М., Уиллитс Д., Мозольф Дж., Янг М., Дуглас Т. (2002). «Синтез ферримагнитных наночастиц оксида железа с ограничением белковой клеткой». Advanced Materials . 14 (21): 1562–1565. doi :10.1002/1521-4095(20021104)14:21<1562::AID-ADMA1562>3.0.CO;2-D.
  15. ^ Аллен М., Уиллитс Д., Янг М., Дуглас Т. (октябрь 2003 г.). «Ограниченный синтез наноматериалов оксида кобальта в 12-субъединичной белковой клетке Listeria innocua». Неорганическая химия . 42 (20): 6300–5. doi :10.1021/ic0343657. PMID  14514305.
  16. ^ Ceci P, Chiancone E, Kasyutich O, Bellapadrona G, Castelli L, Fittipaldi M, Gatteschi D, Innocenti C, Sangregorio C (январь 2010 г.). «Синтез наночастиц оксида железа в Listeria innocua Dps (ДНК-связывающий белок из голодающих клеток): исследование с белком дикого типа и мутантом каталитического центра». Химия: Европейский журнал . 16 (2): 709–17. doi :10.1002/chem.200901138. PMID  19859920.
  17. ^ Prastaro A, Ceci P, Chiancone E, Boffi A, Cirilli R, Colone M, Fabrizi G, Stringaro A, Cacchi S (2009). «Кросс-сочетание Сузуки-Мияуры, катализируемое стабилизированными белком наночастицами палладия в аэробных условиях в воде: применение к однореакторному хемоферментативному энантиоселективному синтезу хиральных биарильных спиртов». Green Chemistry . 11 (12): 1929. doi :10.1039/b915184b.
  18. ^ Теттер С., Хилверт Д. (ноябрь 2017 г.). «Инкапсуляция фермента ферритиновой клеткой». Ангеванде Хеми . 56 (47): 14933–14936. дои : 10.1002/anie.201708530. ПМИД  28902449.
  19. ^ Waghwani HK, Douglas, T (март 2021 г.). «Цитохром C с пероксидазоподобной активностью, инкапсулированный внутри небольшой наноклетки белка DPS». Journal of Materials Chemistry B. 9 ( 14): 3168–3179. doi : 10.1039/d1tb00234a . PMID  33885621.
  20. ^ Uchida M, Maier B, Waghwani HK, Selivanovitch E, Pay SL, Avera J, Yun E, Sandoval RM, Molitoris BA, Zollman A, Douglas T, Hato, T (сентябрь 2019 г.). «Архейная наноклетка Dps воздействует на проксимальные канальцы почек посредством клубочковой фильтрации». Журнал клинических исследований . 129 (9): 3941–3951. doi : 10.1172/JCI127511 . PMC 6715384. PMID  31424427 .