stringtranslate.com

Бактериальный ДНК-связывающий белок

В молекулярной биологии бактериальные ДНК-связывающие белки представляют собой семейство небольших, обычно основных белков из примерно 90 остатков, которые связывают ДНК и известны как гистон-подобные белки. [1] [2] Поскольку бактериальные связывающие белки имеют разнообразные функции, было трудно разработать общую функцию для всех них. Их обычно называют гистон-подобными , и они имеют много схожих черт с эукариотическими гистоновыми белками. Эукариотические гистоны упаковывают ДНК, чтобы помочь ей поместиться в ядро, и они известны как наиболее консервативные белки в природе. [3] Примерами являются белок HU в Escherichia coli , димер тесно связанных альфа- и бета-цепей, а в других бактериях может быть димером идентичных цепей. Белки типа HU были обнаружены у различных бактерий (включая цианобактерии ) и архей, а также кодируются в геноме хлоропластов некоторых водорослей . [4] Фактор интеграции хозяина (IHF), димер тесно связанных цепей, который, как предполагается, функционирует в генетической рекомбинации , а также в трансляционном и транскрипционном контроле [5] , обнаружен в энтеробактериях и вирусных белках , включая белок вируса африканской чумы свиней A104R (или LMW5-AR). [6]

Это семейство также встречается в группе эукариот, известных как динофлагелляты . Эти гистоноподобные белки динофлагеллятов заменяют гистон у некоторых динофлагеллятов и упаковывают ДНК в жидкокристаллическое состояние. [7]

История

Гистоноподобные белки присутствуют во многих эубактериях , цианобактериях и архебактериях . Эти белки участвуют во всех ДНК-зависимых функциях; в этих процессах бактериальные ДНК-связывающие белки играют архитектурную роль, поддерживая структурную целостность по мере протекания транскрипции , рекомбинации , репликации или любого другого ДНК-зависимого процесса. Эукариотические гистоны были впервые обнаружены в ходе экспериментов в 0,4 М NaCl . При этих высоких концентрациях соли эукариотический гистоновый белок элюируется из раствора ДНК, в котором одноцепочечная ДНК ковалентно связана с целлюлозой. После элюирования белок легко связывает ДНК, что указывает на высокое сродство белка к ДНК. Гистоноподобные белки не были известны о наличии в бактериях, пока не было отмечено сходство между эукариотическими гистонами и HU-белком, особенно из-за распространенности, основности и небольшого размера обоих белков. [8] В ходе дальнейших исследований было обнаружено, что аминокислотный состав HU напоминает состав эукариотических гистонов, что побудило к дальнейшим исследованиям точной функции бактериальных ДНК-связывающих белков и открытию других родственных белков у бактерий.

Роль в репликации ДНК

Исследования показывают, что бактериальный ДНК-связывающий белок играет важную роль во время репликации ДНК ; белок участвует в стабилизации отстающей цепи, а также во взаимодействии с ДНК-полимеразой III . Была изучена роль белка одноцепочечной ДНК-связывающей (SSB) во время репликации ДНК в клетках Escherichia coli , в частности, взаимодействие между SSB и субъединицей χ ДНК-полимеразы III в средах с различной концентрацией соли. [9]

При репликации ДНК на участке отстающей цепи ДНК-полимераза III удаляет нуклеотиды по отдельности из связывающего ДНК белка. Нестабильная система SSB/ДНК приведет к быстрому распаду SSB, что остановит репликацию ДНК. Исследования показали, что одноцепочечная ДНК стабилизируется взаимодействием SSB и субъединицы χ ДНК-полимеразы III в E. coli, таким образом готовясь к репликации путем поддержания правильной конформации, которая увеличивает сродство связывания ферментов к одноцепочечной ДНК. Кроме того, связывание SSB с ДНК-полимеразой III на репликационной вилке предотвращает диссоциацию SSB, следовательно, увеличивая эффективность ДНК-полимеразы III для синтеза новой цепи ДНК.

Примеры

H-NS

[10] (i) РНК-полимераза на промоторе окружена изогнутой ДНК. (ii) Эта изогнутая ДНК оборачивается вокруг полимеразы. (iii) H-NS связывается с изогнутой ДНК, чтобы заблокировать РНК-полимеразу на промоторе и предотвратить транскрипцию. (iv) Сигналы окружающей среды и факторы транскрипции высвобождают бактериальный связывающий белок ДНК и позволяют транскрипции продолжаться.

Первоначально считалось, что бактериальные ДНК-связывающие белки помогают стабилизировать бактериальную ДНК. В настоящее время обнаружено гораздо больше функций бактериальных ДНК-связывающих белков, включая регуляцию экспрессии генов гистон -подобным нуклеоид-структурирующим белком H-NS.

H-NS составляет около 15,6 кДа и помогает в регуляции бактериальной транскрипции у бактерий, подавляя и активируя определенные гены. H-NS связывается с ДНК с внутренней кривизной. В E. coli H-NS связывается с промотором P1, снижая выработку рРНК во время стационарных и медленных периодов роста. РНК-полимераза и ДНК-связывающий белок H-NS имеют перекрывающиеся сайты связывания; считается, что H-NS регулирует выработку рРНК, воздействуя на сайт инициации транскрипции. Было обнаружено, что H-NS и РНК-полимераза оба связываются с промотором P1 и образуют комплекс. Когда H-NS связывается с РНК-полимеразой в области промотора, в ДНК имеются структурные различия, которые доступны. [11] Также было обнаружено, что H-NS может влиять на трансляцию, связываясь с мРНК и вызывая ее деградацию.

ХУ

HU — это небольшой (10 кДа [12] ) бактериальный ДНК-связывающий белок, который структурно отличается от эукариотического гистона, но функционально действует аналогично гистону, вызывая отрицательную суперспирализацию в кольцевую ДНК с помощью топоизомеразы . Белок участвует в репликации, рекомбинации и репарации ДНК. Имея α-спиральное гидрофобное ядро ​​и два положительно заряженных β-ленточных плеча, HU неспецифично связывается с двухцепочечной ДНК с низким сродством, но связывается с измененной ДНК — такой как соединения, надрезы, пробелы, вилки и выступы — с высоким сродством. Плечи связываются с малой бороздкой ДНК в состояниях с низким сродством; в состояниях с высоким сродством компонент α-спирального ядра также взаимодействует с ДНК. Однако функция этого белка не ограничивается исключительно ДНК; HU также связывается с гибридами РНК и ДНК-РНК с той же аффинностью, что и суперспиральная ДНК. [13]

Недавние исследования показали, что HU связывается с высокой специфичностью с мРНК rpoS, [14] транскриптом стрессового сигма-фактора РНК-полимеразы, и стимулирует трансляцию белка. В дополнение к этой функции РНК, было также продемонстрировано, что HU связывается с DsrA, небольшой некодирующей РНК, которая регулирует транскрипцию посредством подавления H-NS и стимулирует трансляцию посредством увеличения экспрессии rpoS. Эти взаимодействия предполагают, что HU оказывает множественное влияние на транскрипцию и трансляцию в бактериальных клетках.

ИХФ

Фактор хозяина интеграции, IHF, не является нуклеоид-ассоциированным белком, который встречается только в грамотрицательных бактериях. [15] Это гетеродимер 20 кДа, состоящий из α- и β-субъединиц, которые связываются с последовательностью 5'-WATCAANNNNTTR-3' и изгибают ДНК примерно на 160 градусов. [16] β-плечи IHF имеют остатки пролина , которые помогают стабилизировать изгибы ДНК. Эти изгибы могут помочь уплотнить ДНК и обеспечить сверхспирализацию . Режим связывания с ДНК зависит от факторов окружающей среды, таких как концентрация присутствующих ионов. При высокой концентрации KCl наблюдается слабый изгиб ДНК. Было обнаружено, что более резкий изгиб ДНК происходит, когда концентрация KCl составляет менее 100 мМ, а IHF не концентрируется. [17]

IHF был обнаружен как необходимый кофактор для рекомбинации фага λ в E.coli. В 2016 году было обнаружено, что IHF также играет ключевую роль в системах CRISPR типа I и типа II. Он играет важную роль в том, чтобы комплекс Cas1-Cas2 мог интегрировать новые спейсеры в последовательность CRISPR. Считается, что изгиб ДНК с помощью IHF изменяет интервалы в больших и малых бороздках ДНК, позволяя комплексу Cas1-Cas2 вступать в контакт с основаниями ДНК. [18] Это ключевая функция в системе CRISPR, поскольку она гарантирует, что новые спейсеры всегда добавляются в начале последовательности CRISPR рядом с лидерной последовательностью. Такое управление интеграцией с помощью IHF гарантирует, что спейсеры добавляются в хронологическом порядке, что обеспечивает лучшую защиту от последней вирусной инфекции. [19]

Сравнение

Последствия и дальнейшие исследования

Функции бактериальных ДНК-связывающих белков не ограничиваются репликацией ДНК. Исследователи изучают другие пути, на которые влияют эти белки. Известно, что ДНК-связывающий белок H-NS играет роль в организации хромосом и регуляции генов; однако недавние исследования также подтвердили его роль в косвенной регуляции функций жгутиков . [20] Некоторые регуляторные связи подвижности, на которые влияет H-NS , включают молекулу-мессенджер Cyclic di-GMP , регуляторный белок биопленки CsgD и сигма-факторы σ(S) и σ(F). Дальнейшие исследования направлены на то, чтобы охарактеризовать способы, которыми этот организующий нуклеоид белок влияет на подвижность клетки через другие регуляторные пути.

Другие исследователи использовали бактериальные ДНК-связывающие белки для исследования Salmonella enterica серовара Typhimurium , в котором гены T6SS активируются из макрофагальной инфекции. Когда S. Typhimurium заражает, их эффективность может быть улучшена с помощью механизма «чувствуй и убивай» с подавлением T6SS H-NS. [21] Созданы анализы, которые объединяют слияния репортеров, анализы сдвига электрофоретической подвижности, ДНКазный футпринтинг и флуоресцентную микроскопию для подавления кластера генов T6SS с помощью гистоноподобного нуклеоидного структурирующего белка H-NS.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Drlica K, Rouviere-Yaniv J (сентябрь 1987 г.). «Гистоноподобные белки бактерий». Microbiological Reviews . 51 (3): 301–19. doi :10.1128/MMBR.51.3.301-319.1987. PMC  373113 . PMID  3118156.
  2. ^ Pettijohn DE (сентябрь 1988). «Гистоноподобные белки и структура бактериальной хромосомы». Журнал биологической химии . 263 (26): 12793–6. doi : 10.1016/S0021-9258(18)37625-7 . PMID  3047111.
  3. ^ Гриффитс, Энтони; Весслер, Сьюзен; Кэрролл, Шон; Добли, Джон. Введение в генетический анализ (10-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. С. 428–429.
  4. ^ Wang SL, Liu XQ (декабрь 1991 г.). «Пластидный геном Cryptomonas phi кодирует белок, подобный hsp70, белок, подобный гистону, и белок, переносящий ацил». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 88 (23): 10783–7. Bibcode : 1991PNAS...8810783W. doi : 10.1073/pnas.88.23.10783 . PMC 53015. PMID  1961745 . 
  5. ^ Фридман DI (ноябрь 1988). «Интеграционный фактор хозяина: белок по всем причинам» (PDF) . Cell . 55 (4): 545–54. doi :10.1016/0092-8674(88)90213-9. hdl : 2027.42/27063 . PMID  2972385. S2CID  8548040.
  6. ^ Neilan JG, Lu Z, Kutish GF, Sussman MD, Roberts PC, Yozawa T, Rock DL (март 1993 г.). "Ген вируса африканской чумы свиней, схожий с бактериальными ДНК-связывающими белками, бактериальными факторами интеграции хозяина и фактором транскрипции фага Bacillus SPO1, TF1". Nucleic Acids Research . 21 (6): 1496. doi :10.1093/nar/21.6.1496. PMC 309344. PMID  8464748 . 
  7. ^ Риаз, С; Суй, З; Ниаз, З; Хан, С; Лю, И; Лю, Х (14 декабря 2018 г.). «Отличительные ядерные особенности динофлагеллят с особым акцентом на гистонах и белках замены гистонов». Микроорганизмы . 6 (4): 128. doi : 10.3390/microorganisms6040128 . PMC 6313786. PMID  30558155 . 
  8. ^ Drlica K, Rouviere-Yaniv J (сентябрь 1987 г.). «Гистоноподобные белки бактерий». Microbiological Reviews . 51 (3): 301–19. doi :10.1128/MMBR.51.3.301-319.1987. PMC 373113 . PMID  3118156. 
  9. ^ Witte G, Urbanke C, Curth U (август 2003 г.). «Хи-субъединица ДНК-полимеразы III связывает белок, связывающий одноцепочечную ДНК, с бактериальным репликационным аппаратом». Nucleic Acids Research . 31 (15): 4434–40. doi :10.1093/nar/gkg498. PMC 169888 . PMID  12888503. 
  10. ^ Дорман, Чарльз Дж.; Дейган, Падрайг (2003-04-01). «Регуляция экспрессии генов гистонподобными белками у бактерий». Current Opinion in Genetics & Development . 13 (2): 179–184. doi :10.1016/S0959-437X(03)00025-X. PMID  12672495.
  11. ^ Schröder O, Wagner R (май 2000). «Бактериальный ДНК-связывающий белок H-NS подавляет транскрипцию рибосомальной РНК, захватывая РНК-полимеразу в комплексе инициации». Журнал молекулярной биологии . 298 (5): 737–48. doi :10.1006/jmbi.2000.3708. PMID  10801345.
  12. ^ Serban D, Arcineigas SF, Vorgias CE, Thomas GJ (апрель 2003 г.). «Структура и динамика ДНК-связывающего белка HU B. stearothermophilus, исследованная с помощью Рамановской и ультрафиолетовой резонансной Рамановской спектроскопии». Protein Science . 12 (4): 861–70. doi :10.1110/ps.0234103. PMC 2323852 . PMID  12649443. 
  13. ^ Баландина А., Камашев Д., Рувьер-Янив Дж. (август 2002 г.). «Бактериальный гистон-подобный белок HU специфически распознает схожие структуры во всех нуклеиновых кислотах. ДНК, РНК и их гибриды». Журнал биологической химии . 277 (31): 27622–8. doi : 10.1074/jbc.M201978200 . PMID  12006568.
  14. ^ Баландина А, Кларет Л, Хенгге-Аронис Р, Рувьер-Янив Дж (февраль 2001 г.). «Гистоноподобный белок HU Escherichia coli регулирует трансляцию rpoS». Молекулярная микробиология . 39 (4): 1069–79. дои : 10.1046/j.1365-2958.2001.02305.x . ПМИД  11251825.
  15. ^ Dillon SC, Dorman CJ (март 2010 г.). «Бактериальные нуклеоид-ассоциированные белки, структура нуклеоида и экспрессия генов». Nature Reviews. Microbiology . 8 (3): 185–95. doi :10.1038/nrmicro2261. PMID  20140026. S2CID  33103160.
  16. ^ Nuñez JK, Bai L, Harrington LB, Hinder TL, Doudna JA (июнь 2016 г.). «Иммунологическая память CRISPR требует фактора хозяина для специфичности». Molecular Cell . 62 (6): 824–833. doi : 10.1016/j.molcel.2016.04.027 . PMID  27211867.
  17. ^ Lin J, Chen H, Dröge P, Yan J (2012). "Физическая организация ДНК с помощью множественных неспецифических режимов связывания ДНК интеграционного фактора хозяина (IHF)". PLOS ONE . 7 (11): e49885. Bibcode : 2012PLoSO...749885L. doi : 10.1371/journal.pone.0049885 . PMC 3498176. PMID  23166787 . 
  18. ^ Nuñez JK, Bai L, Harrington LB, Hinder TL, Doudna JA (июнь 2016 г.). «Иммунологическая память CRISPR требует фактора хозяина для специфичности». Molecular Cell . 62 (6): 824–833. doi : 10.1016/j.molcel.2016.04.027 . PMID  27211867.
  19. ^ Сорек Р., Лоуренс К. М., Виденхефт Б. (2013). «CRISPR-опосредованные адаптивные иммунные системы у бактерий и архей». Ежегодный обзор биохимии . 82 (1): 237–66. doi : 10.1146/annurev-biochem-072911-172315 . PMID  23495939.
  20. ^ Kim EA, Blair DF (октябрь 2015 г.). «Функция гистонподобного белка H-NS в подвижности Escherichia coli: множественные регуляторные роли, а не прямое действие на двигатель жгутика». Журнал бактериологии . 197 (19): 3110–20. doi :10.1128/JB.00309-15. PMC 4560294. PMID  26195595 . 
  21. ^ Brunet YR, Khodr A, Logger L, Aussel L, Mignot T, Rimsky S, Cascales E (июль 2015 г.). "H-NS-подавление системы секреции типа VI, кодируемой островом патогенности сальмонелл, ограничивает уничтожение бактерий Salmonella enterica серовара Typhimurium". Инфекция и иммунитет . 83 (7): 2738–50. doi :10.1128/IAI.00198-15. PMC 4468533. PMID 25916986  . 
В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR000119