ДНК-связывающий домен - DNA-binding domain

А ДНК-связывающий домен (DBD) - независимо сложенная белковый домен который содержит хотя бы один структурный мотив который распознает двух- или одноцепочечные ДНК. DBD может распознавать определенную последовательность ДНК ( последовательность распознавания ) или имеют общее сродство к ДНК.[1] Некоторые ДНК-связывающие домены могут также включать нуклеиновые кислоты в свою сложенную структуру.

Функция

Пример ДНК-связывающего домена в контексте белка. N-концевой ДНК-связывающий домен (помечен) Лак репрессор регулируется С-концевым регуляторным доменом (помечен). Регуляторный домен связывает аллостерическую эффекторную молекулу (зеленый). Аллостерический ответ белка передается от регуляторного домена к ДНК-связывающему домену через линкерную область.[2]

Один или несколько ДНК-связывающих доменов часто являются частью более крупного белок состоящий из дополнительных белковые домены с разными функциями. Дополнительные домены часто регулируют активность ДНК-связывающего домена. Функция связывания ДНК является либо структурной, либо включает регулирование транскрипции, причем две роли иногда совпадают.

ДНК-связывающие домены с функциями, включающими ДНК структура играет биологическую роль в Репликация ДНК, ремонт, место хранения, и модификации, такие как метилирование.

Многие белки, участвующие в регуляция экспрессии генов содержат ДНК-связывающие домены. Например, белки, регулирующие транскрипция путем связывания ДНК называются факторы транскрипции. Окончательный результат большинства каскады сотовой связи генная регуляция.

DBD взаимодействует с нуклеотиды ДНК в ДНК специфичный для последовательности или неспецифическим для последовательности способом, но даже не-специфичное для последовательности распознавание включает в себя молекулярная комплементарность между белком и ДНК. Распознавание ДНК с помощью DBD может происходить в большой или малой бороздке ДНК или в сахарно-фосфатной основе ДНК (см. Структуру ДНК ). Каждый конкретный тип распознавания ДНК адаптирован к функции белка. Например, ДНК-разрез фермент ДНКаза I разрезает ДНК почти случайным образом и поэтому должна связываться с ДНК неспецифическим образом. Но даже в этом случае ДНКаза I распознает определенную трехмерную ДНК. структура, давая несколько специфический образец расщепления ДНК, который может быть полезен для изучения распознавания ДНК с помощью техники, называемой ДНК-след.

Многие ДНК-связывающие домены должны распознавать специфические последовательности ДНК, такие как DBD факторы транскрипции которые активируют определенные гены или те из ферментов, которые модифицируют ДНК на определенных участках, например рестрикционные ферменты и теломераза. В водородная связь рисунок в большой бороздке ДНК менее вырожден, чем рисунок в малой бороздке ДНК, обеспечивая более привлекательный сайт для последовательность -специфическое распознавание ДНК.

Специфичность ДНК-связывающих белков может быть изучена с использованием многих биохимических и биофизических методов, таких как гель-электрофорез, аналитическое ультрацентрифугирование, калориметрия, ДНК мутация, структура белка мутация или модификация, ядерный магнитный резонанс, рентгеновская кристаллография, поверхностный плазмонный резонанс, электронный парамагнитный резонанс, сшивание и микромасштабный термофорез (MST).

ДНК-связывающий белок в геномах

Большая часть генов в каждом геноме кодирует ДНК-связывающие белки (см. Таблицу). Однако лишь небольшое количество семейств белков связываются с ДНК. Например, более 2000 из ~ 20 000 белков человека являются «ДНК-связывающими», в том числе около 750 белков цинкового пальца.[3]

РазновидностьДНК-связывающие белки[4]ДНК-связывающие семейства[4]
Arabidopsis thaliana (тале кресс)4471300
Saccharomyces cerevisiae (дрожжи)720243
Caenorhabditis elegans (червь)2028271
Drosophila melanogaster (плодовая муха)2620283

Типы

Спираль-поворот-спираль

Основная статья: Спираль-поворот-спираль

Первоначально обнаруженный у бактерий, спираль-поворот-спираль мотив обычно встречается в белках-репрессорах и имеет длину около 20 аминокислот. У эукариот гомеодомен состоит из 2 спиралей, одна из которых распознает ДНК (она же спираль распознавания). Они распространены в белках, регулирующих процессы развития (PROSITE HTH ).

Цинковый палец

Основная статья: Цинковый палец
Кристаллографическая структура (PDB: 1R4O) Димера цинкового пальца, содержащего ДБР рецептор глюкокортикоидов (вверху) связаны с ДНК (внизу). Атомы цинка представлены серыми сферами, а координирующие боковые цепи цистеина изображены в виде палочек.

В цинковый палец домен в основном встречается у эукариот, но некоторые примеры были обнаружены у бактерий.[5] Домен цинкового пальца обычно имеет длину от 23 до 28 аминокислот и стабилизируется за счет координации ионов цинка с регулярно расположенными координирующими цинк остатками (либо гистидинами, либо цистеинами). Наиболее распространенный класс цинковых пальцев (Cys2His2) координирует один ион цинка и состоит из спирали распознавания и двухнитевого бета-листа.[6] В факторах транскрипции эти домены часто находятся в массивах (обычно разделенных короткими линкерными последовательностями), а соседние пальцы расположены с интервалом в 3 пары оснований при связывании с ДНК.

Лейциновая молния

Основная статья: Лейциновая молния

Базовый лейциновая молния (bZIP ) домен обнаружен в основном у эукариот и в ограниченной степени у бактерий. Домен bZIP содержит альфа-спираль с лейцин на каждую 7-ю аминокислоту. Если две такие спирали обнаруживают друг друга, лейцины могут взаимодействовать как зубы в застежке-молнии, обеспечивая димеризацию двух белков. При связывании с ДНК основные аминокислотные остатки связываются с сахарно-фосфатным остовом, в то время как спирали находятся в основных бороздках. Он регулирует экспрессию генов.

Крылатая спираль

Состоящий примерно из 110 аминокислот, крылатая спираль (WH) домен имеет четыре спирали и двухнитевой бета-лист.

Крылатая спираль-поворот-спираль

Крылатый спираль-поворот-спираль (wHTH) домен SCOP 46785 обычно составляет 85-90 аминокислот. Он образован 3-спиральным пучком и 4-прядным бета-листом (крылом).

Спираль-петля-спираль

В основная спираль-петля-спираль (bHLH) домен встречается в некоторых факторы транскрипции и характеризуется двумя альфа спирали (α-спирали), соединенные петлей. Одна спираль обычно меньше по размеру и из-за гибкости петли допускает димеризацию путем складывания и упаковки по отношению к другой спирали. Более крупная спираль обычно содержит ДНК-связывающие области.

HMG-коробка

HMG-коробка домены обнаружены в белках группы с высокой подвижностью, которые участвуют во множестве зависимых от ДНК процессов, таких как репликация и транскрипция. Они также изменяют гибкость ДНК, вызывая изгибы.[7][8] Домен состоит из трех альфа-спиралей, разделенных петлями.

Домен Wor3

Домены Wor3, названные в честь регулятора White-Opaque Regulator 3 (Wor3) в грибковые микроорганизмы албиканс возникли позже по времени эволюции, чем большинство ранее описанных ДНК-связывающих доменов, и ограничены небольшим числом грибов.[9]

OB-складчатый домен

OB-складка - это небольшой структурный мотив, первоначально названный в честь его олигонуклеотид /олигосахарид бinding свойства. ОВ-складчатые домены имеют длину от 70 до 150 аминокислот.[10] OB-складки связывают одноцепочечную ДНК и, следовательно, являются одноцепочечные связывающие белки.[10]

OB-складчатые белки были определены как критические для Репликация ДНК, Рекомбинация ДНК, Ремонт ДНК, транскрипция, перевод, реакция на холодный шок, и теломер поддержание.[11]

Необычный

Иммуноглобулиновая складка

В иммуноглобулиновый домен (ИнтерПро: IPR013783 ) состоит из бета-листовой структуры с большими соединительными петлями, которые служат для распознавания основных бороздок ДНК или антигенов. Обычно присутствуют в белках иммуноглобулинов, они также присутствуют в белках Stat цитокинового пути. Вероятно, это связано с тем, что цитокиновый путь эволюционировал относительно недавно и использовал уже функционирующие системы, а не создавал свои собственные.

B3 домен

В B3 DBD (ИнтерПро: IPR003340, SCOP 117343 ) встречается исключительно в факторы транскрипции из высшие растения и эндонуклеазы рестрикции ЭкоРИИ и BfiI и обычно состоит из 100-120 остатков. Он включает семь бета-листы и два альфа спирали, которые образуют ДНК-связывающую псевдобочку белковая складка.

TAL эффектор

TAL эффекторы обнаружены в бактериальных возбудителях растений рода Ксантомонады и участвуют в регуляции генов растения-хозяина, чтобы способствовать бактериальной вирулентности, пролиферации и распространению.[12] Они содержат центральную область тандемных повторов из 33-35 остатков, и каждая повторяющаяся область кодирует одно основание ДНК в сайте связывания TALE.[13][14] Внутри повтора только остаток 13 напрямую контактирует с основанием ДНК, определяя специфичность последовательности, в то время как другие позиции устанавливают контакты с основной цепью ДНК, стабилизируя ДНК-связывающее взаимодействие.[15] Каждый повтор внутри массива принимает форму парных альфа-спиралей, в то время как весь массив повторов образует правую суперспираль, оборачивающуюся вокруг двойной спирали ДНК. Было показано, что массивы эффекторных повторов TAL сжимаются при связывании ДНК, и был предложен механизм поиска с двумя состояниями, при котором удлиненный TALE начинает сжиматься вокруг ДНК, начиная с успешного распознавания тимина из уникальной повторяющейся единицы N-конца основного TAL. -эффектор повторения массива.[16]Родственные белки обнаружены в бактериальных возбудителях растений. Ralstonia solanacearum,[17] грибковый эндосимбионт Burkholderia rhizoxinica[18] и два еще не идентифицированных морских микроорганизма.[19] Код связывания ДНК и структура массива повторов сохраняются между этими группами, вместе именуемыми СКАЗКИ-лайки.

РНК-управляемый

В CRISPR / Cas система Streptococcus pyogenes можно запрограммировать на прямую активацию[20] и репрессия к естественным и искусственным эукариотическим промоторам посредством простой разработки направляющих РНК с комплементарностью спаривания оснований к сайтам ДНК-мишени.[21] Cas9 можно использовать как настраиваемую платформу связывания ДНК, управляемую РНК. Домен Cas9 может быть функционализирован с помощью интересующих регуляторных доменов (например, активации, репрессии или эпигенетического эффектора) или с помощью эндонуклеазного домена в качестве универсального инструмента для биологии геномной инженерии.[22][23] и затем быть нацеленным на несколько локусов с использованием разных направляющих РНК.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Лилли Д.М. (1995). ДНК-белок: структурные взаимодействия. Оксфорд: IRL Press в Oxford University Press. ISBN  0-19-963453-X.
  2. ^ Суинт-Круз Л., Мэтьюз К.С. (апрель 2009 г.). «Аллостерия в семействе LacI / GalR: вариации на тему». Текущее мнение в микробиологии. 12 (2): 129–37. Дои:10.1016 / j.mib.2009.01.009. ЧВК  2688824. PMID  19269243.
  3. ^ "рассмотрено: да И организм:" Homo sapiens (Human) [9606] "И протеом: up000005640 в UniProtKB". www.uniprot.org. Получено 2017-10-25.
  4. ^ а б Малхотра С., Соудхамини Р. (август 2013 г.). «Полногеномное исследование ДНК-связывающих белков Arabidopsis thaliana: анализ распределения и функций». Исследования нуклеиновых кислот. 41 (15): 7212–9. Дои:10.1093 / нар / gkt505. ЧВК  3753632. PMID  23775796.
  5. ^ Мальджери Г., Пальмиери М., Руссо Л., Фатторуссо Р., Педоне П.В., Изерния С. (декабрь 2015 г.). «Прокариотический цинковый палец: структура, функции и сравнение с эукариотическим аналогом». Журнал FEBS. 282 (23): 4480–96. Дои:10.1111 / febs.13503. PMID  26365095.
  6. ^ Pabo CO, Peisach E, Grant RA (2001). «Разработка и выбор новых белков цинкового пальца Cys2His2». Ежегодный обзор биохимии. 70: 313–40. Дои:10.1146 / annurev.biochem.70.1.313. PMID  11395410.
  7. ^ Murugesapillai D, et al. (2014). «Соединение ДНК и образование петель с помощью HMO1 обеспечивает механизм стабилизации свободного от нуклеосом хроматина». Нуклеиновые кислоты Res. 42 (14): 8996–9004. Дои:10.1093 / нар / gku635. ЧВК  4132745. PMID  25063301.
  8. ^ Murugesapillai D, McCauley MJ, Maher LJ 3rd, Williams MC (2017). «Одномолекулярные исследования белков, изгибающих архитектурную ДНК группы B с высокой подвижностью». Biophys Rev. 9 (1): 17–40. Дои:10.1007 / s12551-016-0236-4. ЧВК  5331113. PMID  28303166.
  9. ^ Lohse MB, Hernday AD, Fordyce PM, Noiman L, Sorrells TR, Hanson-Smith V, Nobile CJ, DeRisi JL, Johnson AD (май 2013 г.). «Идентификация и характеристика ранее не описанного семейства последовательностей ДНК-связывающих доменов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 110 (19): 7660–5. Bibcode:2013ПНАС..110.7660Л. Дои:10.1073 / pnas.1221734110. ЧВК  3651432. PMID  23610392.
  10. ^ а б Флинн Р.Л., Цзоу Л. (август 2010 г.). «Олигонуклеотид / олигосахарид-связывающие складчатые белки: растущее семейство хранителей генома». Критические обзоры в биохимии и молекулярной биологии. 45 (4): 266–75. Дои:10.3109/10409238.2010.488216. ЧВК  2906097. PMID  20515430.
  11. ^ Теобальд Д.Л., Миттон-Фрай Р.М., Вуттке Д.С. (2003). «Распознавание нуклеиновых кислот OB-фолд-белками». Ежегодный обзор биофизики и структуры биомолекул. 32: 115–33. Дои:10.1146 / annurev.biophys.32.110601.142506. ЧВК  1564333. PMID  12598368.
  12. ^ Бох Дж, Бонас У (2010). "Эффекторы Xanthomonas AvrBs3 типа III: открытие и функции". Ежегодный обзор фитопатологии. 48: 419–36. Дои:10.1146 / annurev-phyto-080508-081936. PMID  19400638.
  13. ^ Москоу MJ, Богданов AJ (декабрь 2009 г.). «Простой шифр управляет распознаванием ДНК эффекторами TAL». Наука. 326 (5959): 1501. Bibcode:2009Научный ... 326.1501M. Дои:10.1126 / science.1178817. PMID  19933106. S2CID  6648530.
  14. ^ Boch J, Scholze H, Schornack S, Landgraf A, Hahn S, Kay S, Lahaye T, Nickstadt A, Bonas U (декабрь 2009 г.). «Нарушение кода специфичности связывания ДНК эффекторов TAL-типа III». Наука. 326 (5959): 1509–12. Bibcode:2009Sci ... 326.1509B. Дои:10.1126 / science.1178811. PMID  19933107. S2CID  206522347.
  15. ^ Мак А.Н., Брэдли П., Сернадас Р.А., Богданов А.Дж., Стоддард Б.Л. (февраль 2012 г.). «Кристаллическая структура эффектора TAL PthXo1, связанного с его ДНК-мишенью». Наука. 335 (6069): 716–9. Bibcode:2012Sci ... 335..716M. Дои:10.1126 / science.1216211. ЧВК  3427646. PMID  22223736.
  16. ^ Cuculis L, Abil Z, Zhao H, Schroeder CM (июнь 2015 г.). «Прямое наблюдение за динамикой белка TALE раскрывает механизм поиска с двумя состояниями». Nature Communications. 6: 7277. Bibcode:2015 НатКо ... 6.7277C. Дои:10.1038 / ncomms8277. ЧВК  4458887. PMID  26027871.
  17. ^ de Lange O, Schreiber T., Schandry N, Radeck J, Braun KH, Koszinowski J, Heuer H, Strauß A, Lahaye T. (август 2013 г.). «Нарушение ДНК-связывающего кода эффекторов TAL Ralstonia solanacearum открывает новые возможности для создания генов устойчивости растений против бактериального увядания». Новый Фитолог. 199 (3): 773–86. Дои:10.1111 / nph.12324. PMID  23692030.
  18. ^ Juillerat A, Bertonati C, Dubois G, Guyot V, Thomas S, Valton J, Beurdeley M, Silva GH, Daboussi F, Duchateau P (январь 2014 г.). «BurrH: новый модульный ДНК-связывающий белок для геномной инженерии». Научные отчеты. 4: 3831. Bibcode:2014НатСР ... 4E3831J. Дои:10.1038 / srep03831. ЧВК  5379180. PMID  24452192.
  19. ^ де Ланге О., Вольф С., Тиль П., Крюгер Дж., Клеуш С., Кольбахер О., Лахай Т. (ноябрь 2015 г.). «ДНК-связывающие белки морских бактерий расширяют известное разнообразие последовательностей TALE-подобных повторов». Исследования нуклеиновых кислот. 43 (20): 10065–80. Дои:10.1093 / нар / gkv1053. ЧВК  4787788. PMID  26481363.
  20. ^ Перес-Пинера П., Коджак Д.Д., Фокли С.М., Адлер А.Ф., Кабади А.М., Польштейн Л.Р., Такор П.И., Гласс К.А., Оустерут Д.Г., Леонг К.В., Гилак Ф., Кроуфорд Г.Э., Редди Т.Э., Герсбах, Калифорния (октябрь 2013 г.). «РНК-управляемая активация генов факторами транскрипции на основе CRISPR-Cas9». Природные методы. 10 (10): 973–6. Дои:10.1038 / nmeth.2600. ЧВК  3911785. PMID  23892895.
  21. ^ Фарзадфард Ф, Перли С.Д., Лу Т.К. (октябрь 2013 г.). «Настраиваемые и многофункциональные факторы транскрипции эукариот на основе CRISPR / Cas». Синтетическая биология ACS. 2 (10): 604–13. Дои:10.1021 / sb400081r. ЧВК  3805333. PMID  23977949.
  22. ^ Чо С.В., Ким С., Ким Дж. М., Ким Дж. С. (март 2013 г.). «Нацеленная инженерия генома в человеческих клетках с помощью Cas9 РНК-управляемой эндонуклеазы». Природа Биотехнологии. 31 (3): 230–2. Дои:10.1038 / nbt.2507. PMID  23360966. S2CID  10165663.
  23. ^ Мали П., Эсвелт К.М., Church GM (октябрь 2013 г.). «Cas9 как универсальный инструмент инженерной биологии». Природные методы. 10 (10): 957–63. Дои:10.1038 / nmeth.2649. ЧВК  4051438. PMID  24076990.

внешняя ссылка