stringtranslate.com

репрессор лака

Аннотированная кристаллическая структура димерного LacI . Два мономера (из четырех) взаимодействуют для связывания каждой последовательности оператора ДНК. Мономеры (красный и синий) содержат связывающие ДНК и основные домены (помечены), которые соединены линкером (помечены). С-концевая тетрамеризационная спираль не показана. Репрессор показан в комплексе с операторной ДНК (золотой) и ONPF (зеленый), антииндукторным лигандом ( т.е. стабилизатором связывания ДНК)

Lac - репрессор (LacI) — это ДНК-связывающий белок, который подавляет экспрессию генов , кодирующих белки, участвующие в метаболизме лактозы у бактерий. Эти гены подавляются, когда лактоза недоступна для клетки, гарантируя, что бактерия вкладывает энергию только в производство механизмов, необходимых для поглощения и утилизации лактозы, когда лактоза присутствует. Когда лактоза становится доступной, она сначала преобразуется в аллолактозу с помощью β-галактозидазы ( lacZ ) у бактерий. Способность связывания ДНК lac -репрессора, связанного с аллолактозой, подавляется из-за аллостерической регуляции , в результате чего гены, кодирующие белки, участвующие в поглощении и утилизации лактозы, могут быть экспрессированы.

Функция

Lac - репрессор (LacI) действует с помощью мотива спираль-поворот-спираль в своем домене связывания ДНК , связываясь специфично с основанием большой бороздки области оператора lac- оперона , с базовыми контактами, также образованными остатками альфа-спиралей, связанных с симметрией, спиралями «шарнира», которые глубоко связываются в малой бороздке. [1] Этот связанный репрессор может снижать транскрипцию белков Lac, закрывая сайт связывания РНК-полимеразы или вызывая петлеобразование ДНК. [2] Когда присутствует лактоза, аллолактоза связывается с lac -репрессором, вызывая аллостерическое изменение его формы. В своем измененном состоянии lac -репрессор не способен прочно связываться со своим родственным оператором. Таким образом, ген в основном выключен в отсутствие индуктора и в основном включен в присутствии индуктора, хотя степень экспрессии гена зависит от количества репрессоров в клетке и от сродства репрессора к ДНК. [3] Изопропил β-D-1-тиогалактопиранозид (ИПТГ) — это широко используемый имитатор аллолактозы, который можно использовать для индукции транскрипции генов, регулируемых репрессором lac .

Структура

Тетрамерный LacI связывает две последовательности операторов и индуцирует петлеобразование ДНК. Две димерные функциональные субъединицы LacI (красный+синий и зеленый+оранжевый) связывают последовательность оператора ДНК (маркирована). Эти две функциональные субъединицы соединены в области тетрамеризации (маркирована); таким образом, тетрамерный LacI связывает две последовательности операторов. Это позволяет тетрамерному LacI индуцировать петлеобразование ДНК.

Структурно белок-репрессор lac является гомотетрамером . Точнее, тетрамер содержит две ДНК-связывающие субъединицы, состоящие из двух мономеров каждая (димер димеров). Каждый мономер состоит из четырех отдельных областей: [4] [5] [6]

Связывание ДНК происходит через N-концевой структурный мотив спираль-поворот-спираль и нацелено на одну из нескольких последовательностей ДНК оператора (известных как O 1 , O 2 и O 3 ). Последовательность оператора O 1 слегка перекрывается с промотором, что увеличивает сродство РНК-полимеразы к последовательности промотора, так что она не может войти в элонгацию и остается в абортивной инициации . Кроме того, поскольку каждый тетрамер содержит две ДНК-связывающие субъединицы, связывание нескольких последовательностей операторов одним тетрамером вызывает петлеобразование ДНК. [7]

Каждый мономер состоит из 360 аминокислот, то есть всего он содержит 1440 аминокислот и имеет атомную массу 154 520 дальтон. [8]

Кинетика связывания и разъединения ДНК

Анимация механизма связывания и расцепления димера LacI и его целевого участка ДНК.

LacI находит свою целевую операторную ДНК на удивление быстро. In vitro поиск в 10-100 раз быстрее теоретического верхнего предела для двух частиц, ищущих друг друга посредством диффузии в трех измерениях (3D). [9] Для объяснения быстрого поиска была выдвинута гипотеза, что LacI и другие факторы транскрипции (TF) находят свои сайты связывания посредством облегченной диффузии, комбинации свободной диффузии в 3D и 1D-скольжения по ДНК. [10] Во время скольжения репрессор контактирует со спиралью ДНК, скользя вокруг и отслеживая ее большую бороздку, что ускоряет процесс поиска за счет увеличения длины цели, когда TF скользит на оператор сбоку. Эксперименты с одиночными молекулами in vivo с клетками E. coli теперь проверили и подтвердили модель облегченной диффузии и показали, что TF сканирует в среднем 45 п.н. во время каждого события скольжения, прежде чем TF спонтанно отсоединяется и возобновляет исследование генома в 3D. [11] Эти эксперименты также предполагают, что LacI скользит по оператору O 1 несколько раз перед связыванием, что означает, что разные последовательности ДНК могут иметь разные вероятности быть распознанными при каждой встрече с TF. Это подразумевает компромисс между быстрым поиском на неспецифических последовательностях и связыванием со специфическими последовательностями. [11] Эксперименты in vivo и in vitro показали, что именно эта вероятность распознавания оператора меняется с последовательностью ДНК, в то время как время, в течение которого TF остается в связанной конформации на операторе, меняется меньше с последовательностью. [12] TF часто покидает последовательность, которую он призван регулировать, но в сильном целевом сайте он почти всегда совершает очень короткое путешествие, прежде чем снова найти путь назад. В макроскопическом масштабе это выглядит как стабильное взаимодействие. Этот механизм связывания объясняет, как связывающие ДНК белки умудряются быстро искать по геному клетки, не застревая слишком долго на последовательностях, которые напоминают истинную цель.

Моделирование молекулярной динамики на всех атомах предполагает , что фактор транскрипции сталкивается с барьером в 1 кБТ во время скольжения и 12 кБТ при диссоциации, что подразумевает, что репрессор будет скользить в среднем более чем на 8 п.н. перед диссоциацией. [13] Модель поиска in vivo для lac -репрессора включает межсегментный перенос и прыжки, а также скученность другими белками, которые делают геном в клетках E. coli менее доступным для репрессора. [14] Существование прыжков, когда белок выскальзывает из большой бороздки ДНК, чтобы приземлиться в другой соседней бороздке вдоль цепи ДНК, было доказано более непосредственно in vitro , где было замечено, что lac- репрессор обходит операторы, меняет ориентацию и вращается с более длинным шагом, чем период ДНК в 10,5 п.н. при движении вдоль него. [15]

Открытие

Lac - репрессор был впервые выделен Уолтером Гилбертом и Бенно Мюллер-Хиллом в 1966 году. [16] Они показали, что in vitro белок связывается с ДНК, содержащей lac -оперон, и высвобождает ДНК при добавлении IPTG ( аналога аллолактозы).

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Schumacher MA, Choi KY, Zalkin H, Brennan RG (ноябрь 1994 г.). «Кристаллическая структура члена LacI, PurR, связанного с ДНК: связывание малой бороздки альфа-спиралями». Science . 266 (5186): 763–70. Bibcode :1994Sci...266..763S. doi :10.1126/science.7973627. PMID  7973627.
  2. ^ Razo-Mejia M, Boedicker J, Jones D, DeLuna A, Kinney J, Phillips R (2014). "Сравнение теоретического и реального эволюционного потенциала генетической цепи". Physical Biology . 1 (2): 026005. Bibcode :2014PhBio..11b6005R. doi :10.1088/1478-3975/11/2/026005. PMC 4051709 . PMID  24685590. 
  3. ^ Razo-Mejia M, Barnes S, Belliveau N, Chure G, Einav T, Lewis M, Phillips R (2018). «Настройка транскрипционной регуляции через сигнализацию: предсказательная теория аллостерической индукции». Cell Systems . 6 (4): 456–469. doi :10.1016/j.cels.2018.02.004. PMC 5991102 . PMID  29574055. 
  4. ^ Goodsell DS (2003). "Lac Repressor". Банк данных белков RCSB . doi :10.2210/rcsb_pdb/mom_2003_3.
  5. ^ Льюис М (июнь 2005 г.). «Лак-репрессор». Comptes Rendus Biology . 328 (6): 521–48. doi :10.1016/j.crvi.2005.04.004. ПМИД  15950160.
  6. ^ ab Swint-Kruse L, Matthews KS (апрель 2009 г.). «Аллостерия в семействе LacI/GalR: вариации на тему». Current Opinion in Microbiology . 12 (2): 129–37. doi :10.1016/j.mib.2009.01.009. PMC 2688824. PMID  19269243 . 
  7. ^ Oehler S, Eismann ER, Krämer H, Müller-Hill B (апрель 1990 г.). «Три оператора lac-оперона взаимодействуют при репрессии». The EMBO Journal . 9 (4): 973–9. doi :10.1002/j.1460-2075.1990.tb08199.x. PMC 551766. PMID  2182324 . 
  8. ^ Льюис, Митчелл (1 июня 2005 г.). «Лак-репрессор». Comptes Rendus Biology . Retour sur l'operon lac. 328 (6): 521–548. doi :10.1016/j.crvi.2005.04.004. ISSN  1631-0691. ПМИД  15950160.
  9. ^ Риггс, Артур Д.; Буржуа, Сюзанна; Кон, Мелвин (1970). «Взаимодействие lac-репрессора и оператора». Журнал молекулярной биологии . 53 (3). Elsevier BV: 401–417. doi :10.1016/0022-2836(70)90074-4. ISSN  0022-2836. PMID  4924006.
  10. ^ Берг, Отто Г.; Винтер, Роберт Б.; Фон Хиппель, Питер Х. (1981-11-01). «Механизмы транслокации белков на нуклеиновых кислотах, обусловленные диффузией. 1. Модели и теория». Биохимия . 20 (24). Американское химическое общество (ACS): 6929–6948. doi :10.1021/bi00527a028. ISSN  0006-2960. PMID  7317363.
  11. ^ ab Hammar, Petter; Leroy, Prune; Mahmutovic, Anel; Marklund, Erik G.; Berg, Otto G.; Elf, Johan (2012-06-22). "The lac Repressor Displays Facilitated Diffusion in Living Cells". Science . 336 (6088): 1595–1598. Bibcode :2012Sci...336.1595H. doi :10.1126/science.1221648. ISSN  0036-8075. PMID  22723426. S2CID  21351861.
  12. ^ Марклунд, Эмиль; Мао, Гуаньчжун; Юань, Цзиньвэнь; Зикрин, Спартак; Абдурахманов, Эльдар; Дейндл, Себастьян; Эльф, Йохан (28.01.2022). «Специфичность последовательности при связывании ДНК в основном регулируется ассоциацией». Science . 375 (6579). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): 442–445. Bibcode :2022Sci...375..442M. doi :10.1126/science.abg7427. ISSN  0036-8075. PMID  35084952. S2CID  246360459.
  13. ^ Марклунд, Эрик Г.; Махмутович, Анель; Берг, Отто Г.; Хаммар, Петтер; Споэль, Дэвид ван дер; Фанге, Дэвид; Эльф, Йохан (2013-12-03). «Связывание и скольжение факторов транскрипции на ДНК, изученные с использованием микро- и макроскопических моделей». Труды Национальной академии наук . 110 (49): 19796–19801. Bibcode : 2013PNAS..11019796M. doi : 10.1073/pnas.1307905110 . ISSN  0027-8424. PMC 3856812. PMID 24222688  . 
  14. ^ Махмутович, Анель; Берг, Отто Г.; Эльф, Йохан (16.03.2015). «Что важно для поиска lac-репрессора in vivo — скольжение, прыжки, межсегментный перенос, скучивание на ДНК или распознавание?». Nucleic Acids Research . 43 (7): 3454–3464. doi :10.1093/nar/gkv207. ISSN  1362-4962. PMC 4402528. PMID 25779051  . 
  15. ^ Марклунд, Эмиль; ван Остен, Брэд; Мао, Гуаньчжун; Амселем, Элиас; Киппер, Калле; Сабанцев Антон; Эммерих, Эндрю; Глобиш, Дэниел; Чжэн, Сюань; Леманн, Лаура К.; Берг, Отто Г.; Йоханссон, Магнус; Эльф, Йохан; Дейндл, Себастьян (2020). «Исследование поверхности ДНК и обход оператора при поиске цели». Природа . 583 (7818): 858–861. Бибкод : 2020Natur.583..858M. дои : 10.1038/s41586-020-2413-7. ISSN  0028-0836. PMID  32581356. S2CID  220049852.
  16. ^ Gilbert W , Müller-Hill B (декабрь 1966 г.). "Выделение lac-репрессора". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 56 (6): 1891–8. Bibcode :1966PNAS...56.1891G. doi : 10.1073/pnas.56.6.1891 . PMC 220206 . PMID  16591435. 

Внешние ссылки