Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

ДНК-связывающий домен ( DBD ) представляет собой независимо друг от друга сложенном домен белка , который содержит , по меньшей мере , один структурный мотив , который распознает двух- или одноцепочечной ДНК . DBD может распознавать конкретную последовательность ДНК (последовательность распознавания ) или иметь общее сродство к ДНК. [1] Некоторые ДНК-связывающие домены могут также включать нуклеиновые кислоты в своей складчатой ​​структуре.

Функция [ править ]

Пример ДНК-связывающего домена в контексте белка. N-концевой ДНК-связывающий домен (помечен) репрессора Lac 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 белка, состоящего из дополнительных белковых доменов с различными функциями. Дополнительные домены часто регулируют активность ДНК-связывающего домена. Функция связывания ДНК является либо структурной, либо включает регуляцию транскрипции , причем эти две роли иногда перекрываются.

ДНК-связывающие домены с функциями, включающими структуру ДНК, играют биологическую роль в репликации , репарации , хранении и модификации ДНК , например метилировании .

Многие белки, участвующие в регуляции экспрессии генов, содержат ДНК-связывающие домены. Например, белки, которые регулируют транскрипцию путем связывания ДНК, называются факторами транскрипции . Конечным результатом большинства клеточных сигнальных каскадов является регуляция генов.

DBD взаимодействует с нуклеотидами ДНК специфичным для последовательности ДНК или неспецифичным для последовательности образом, но даже не-специфичное для последовательности распознавание включает в себя своего рода молекулярную 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-режущий фермент ДНКаза I разрезает ДНК почти случайным образом и поэтому должна связываться с ДНК неспецифическим для последовательности образом. Но даже в этом случае ДНКаза I распознает определенную трехмерную структуру ДНК., давая несколько специфический паттерн расщепления ДНК, который может быть полезен для изучения распознавания ДНК с помощью метода, называемого ДНК-следом .

Многие ДНК-связывающие домены должны распознавать специфические последовательности ДНК, такие как DBD факторов транскрипции, которые активируют определенные гены, или те из ферментов, которые модифицируют ДНК в определенных сайтах, таких как рестрикционные ферменты и теломераза . Водородные связи узор в большой бороздке ДНК менее вырожденный , чем ДНК малой бороздки, обеспечивая более привлекательный сайт для последовательности распознавания -специфических ДНК.

Специфичность ДНК-связывающих белков может быть изучена с помощью многих биохимических и биофизических методов, таких как гель-электрофорез , аналитическое ультрацентрифугирование , калориметрия , мутации ДНК , мутации или модификации структуры белка , ядерный магнитный резонанс , рентгеновская кристаллография , поверхностный плазмонный резонанс , электронный парамагнитный резонанс , сшивание и термофорез на микромасштабах (MST).

ДНК-связывающий белок в геномах [ править ]

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)2028 г.271
Drosophila melanogaster (плодовая муха)2620283

Типы [ править ]

Спираль-поворот-спираль [ править ]

Основная статья: спираль-поворот-спираль

Первоначально обнаруженный у бактерий, мотив спираль-поворот-спираль обычно обнаруживается в репрессорных белках 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 [ править ]

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

Цинковый палец домен встречается в основном у эукариот, но некоторые примеры были найдены в бактериях. [5] Домен цинкового пальца обычно имеет длину от 23 до 28 аминокислот и стабилизируется за счет координации ионов цинка с регулярно расположенными координирующими цинк-координирующими 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 [ править ]

Основная статья: лейциновая молния

Основной домен лейциновой молнии ( bZIP ) обнаружен в основном у эукариот и в ограниченной степени у бактерий. Домен bZIP содержит альфа-спираль с лейцином в каждой седьмой аминокислоте. 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 [ править ]

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

Крылатая спираль-поворот-спираль [ править ]

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

Спираль-петля-спираль [ править ]

Основная спираль-петля-спираль (bHLH) домен обнаружен в некоторых факторах транскрипции и характеризуется два альфа - спиралей (& alpha;) спирали , соединенных петлей. Одна спираль обычно меньше по размеру и из-за гибкости петли допускает димеризацию за счет складывания и упаковки по отношению к другой спирали. Более крупная спираль обычно содержит ДНК-связывающие области.

HMG-box [ править ]

Домены HMG-бокса обнаруживаются 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 [ править ]

Домены Wor3, названные в честь White-Opaque Regulator 3 (Wor3) у Candida albicans, возникли позже в эволюционном времени, чем большинство ранее описанных ДНК-связывающих доменов, и ограничены небольшим количеством грибов. [9]

OB-складной домен [ править ]

ОВукладки представляет собой небольшой структурный мотив , первоначально названный в честь его о ligonucleotide / о ligosaccharide б inding свойств. Длина OB-складчатых доменов составляет от 70 до 150 аминокислот. [10] OB-складки связывают одноцепочечную ДНК и, следовательно, являются одноцепочечными связывающими белками . [10]

ОВукладки белки были идентифицированы как критические для репликации ДНК , ДНК - рекомбинации , репарации ДНК , транскрипции , трансляции , холодный ответ шока и теломер обслуживания. [11]

Необычный [ править ]

Сворачивание иммуноглобулина [ править ]

Домена иммуноглобулина ( InterPro :  IPR013783 ) состоит из структуры бета-листа с крупными соединительными петлями, которые служат распознавать либо ДНК основные канавки или антигены. 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 [ править ]

В3 DBD ( InterPro :  IPR003340 , СКОП 117343 ) обнаруживается исключительно в факторах транскрипции из высших растений и эндонуклеаз рестрикции EcoRII и BfiI и обычно состоит из 100-120 остатков. Он включает семь бета-листов и две альфа-спирали , которые образуют ДНК-связывающую псевдобаррелевую белковую складку .

Эффектор TAL [ править ]

Эффекторы TAL обнаружены в патогенах бактериальных растений рода Xanthomonas и участвуют в регуляции генов растения-хозяина, чтобы способствовать вирулентности, пролиферации и распространению бактерий. [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 контактируют 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, обвивающую двойную спираль 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 ядра TAL. -эффектор повторения массива. [16] Связанные белки обнаружены в бактериальных патогенов растений Ralstonia solanacearum , [17] грибковый эндосимбионта Burkholderia rhizoxinica [18] , а два пока еще неизвестные морские-микроорганизмы. [19]Код связывания ДНК и структура массива повторов сохраняются между этими группами, совместно именуемыми TALE-подобными .

РНК-управляемый [ править ]

CRISPR / Cas система Streptococcus Пирролидонилпептидаза может быть запрограммирован , чтобы направить активацию как [20] и репрессии в естественных и искусственных эукариотических промоторов через простой инженерии направляющих РНК с спаривание оснований комплементарности к участкам ДНК - мишени. [21] Cas9 можно использовать в качестве настраиваемой РНК-управляемой ДНК-связывающей платформы. Домен Cas9 может быть функционализирован с помощью интересующих регуляторных доменов (например, активации, репрессии или эпигенетического эффектора) или эндонуклеазного домена в качестве универсального инструмента для биологии геномной инженерии. [22] [23], а затем нацеливаться на несколько локусов с использованием разных направляющих РНК.

См. Также [ править ]

  • ДНК-связывающий белок
  • Сравнение программного обеспечения для моделирования нуклеиновых кислот

Ссылки [ править ]

  1. ^ Лилли DM (1995). ДНК-белок: структурные взаимодействия . Оксфорд: IRL Press в Oxford University Press. ISBN 0-19-963453-X.
  2. ^ Swint-Kruse L, Matthews KS (апрель 2009). «Аллостерия в семействе LacI / GalR: вариации на тему» . Текущее мнение в микробиологии . 12 (2): 129–37. DOI : 10.1016 / j.mib.2009.01.009 . PMC 2688824 . PMID 19269243 .  
  3. ^ "рассмотрено: да И организм:" Homo sapiens (Human) [9606] "И протеом: up000005640 в UniProtKB" . www.uniprot.org . Проверено 25 октября 2017 .
  4. ^ а б Малхотра С., Соудхамини Р. (август 2013 г.). «Полногеномный обзор ДНК-связывающих белков Arabidopsis thaliana: анализ распределения и функций» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (15): 7212–9. DOI : 10.1093 / NAR / gkt505 . PMC 3753632 . PMID 23775796 .  
  5. ^ Malgieri G, Пальмиери М, русско л, Fattorusso R, Pedone П.В., Изерния С (декабрь 2015). «Прокариотический цинковый палец: структура, функции и сравнение с эукариотическим аналогом» . Журнал FEBS . 282 (23): 4480–96. DOI : 10.1111 / febs.13503 . PMID 26365095 . 
  6. ^ Pabo CO, Пейсах E, Грант Р. (2001). «Дизайн и выбор новых белков цинкового пальца Cys2His2». Ежегодный обзор биохимии . 70 : 313–40. DOI : 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» . Nucleic Acids Res . 42 (14): 8996–9004. DOI : 10.1093 / NAR / gku635 . PMC 4132745 . PMID 25063301 .  
  8. ^ Murugesapillai D, МакКоли MJ, Maher LJ третий, Williams MC (2017). «Одномолекулярные исследования архитектурных изгибающих белков группы B с высокой подвижностью» . Biophys Ред . 9 (1): 17–40. DOI : 10.1007 / s12551-016-0236-4 . PMC 5331113 . PMID 28303166 .  
  9. ^ Лоза MB, Hernday AD, Фордайс PM, Нойман L, Sorrells TR, Хансон-Смит V, Nobile CJ, DeRisi JL, Джонсон AD (май 2013). «Идентификация и характеристика ранее не описанного семейства последовательностей ДНК-связывающих доменов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (19): 7660–5. Bibcode : 2013PNAS..110.7660L . DOI : 10.1073 / pnas.1221734110 . PMC 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. DOI : 10.3109 / 10409238.2010.488216 . PMC 2906097 . PMID 20515430 .  
  11. ^ Теобальд DL, Mitton-Fry RM, Вуттка DS (2003). «Распознавание нуклеиновых кислот OB-фолд-белками» . Ежегодный обзор биофизики и структуры биомолекул . 32 : 115–33. DOI : 10.1146 / annurev.biophys.32.110601.142506 . PMC 1564333 . PMID 12598368 .  
  12. ^ Boch J, Bonas U (2010). "Эффекторы Xanthomonas AvrBs3 типа III: открытие и функции". Ежегодный обзор фитопатологии . 48 : 419–36. DOI : 10.1146 / annurev-phyto-080508-081936 . PMID 19400638 . 
  13. ^ Moscou MJ, Bogdanove AJ (декабрь 2009). «Простой шифр управляет распознаванием ДНК эффекторами TAL». Наука . 326 (5959): 1501. Bibcode : 2009Sci ... 326.1501M . DOI : 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 . DOI : 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 . DOI : 10.1126 / science.1216211 . PMC 3427646 . PMID 22223736 .  
  16. ^ Cuculis л, Абил Z, Чжао Н, Шредер СМ (июнь 2015). «Прямое наблюдение за динамикой белка TALE выявляет механизм поиска с двумя состояниями» . Nature Communications . 6 : 7277. Bibcode : 2015NatCo ... 6.7277C . DOI : 10,1038 / ncomms8277 . PMC 4458887 . PMID 26027871 .  
  17. ^ Де Ланге O, Schreiber T, N, Schandry Radeck J, Braun KH, Koszinowski J, H Heuer, Штрауса 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. DOI : 10.1111 / nph.12324 . PMID 23692030 . 
  18. ^ Juillerat А, Bertonati С, G Дюбуа, Гуйот В, Томас S, Валтон Дж, Beurdeley М, Сильва Х., Daboussi Р, Р Duchateau (январь 2014). «BurrH: новый модульный ДНК-связывающий белок для геномной инженерии» . Научные отчеты . 4 : 3831. Bibcode : 2014NatSR ... 4E3831J . DOI : 10.1038 / srep03831 . PMC 5379180 . PMID 24452192 .  
  19. ↑ de Lange O, Wolf C, Thiel P, Krüger J, Kleusch C, Kohlbacher O, Lahaye T (ноябрь 2015 г.). «ДНК-связывающие белки морских бактерий расширяют известное разнообразие последовательностей TALE-подобных повторов» . Исследования нуклеиновых кислот . 43 (20): 10065–80. DOI : 10.1093 / NAR / gkv1053 . PMC 4787788 . PMID 26481363 .  
  20. ^ Perez-Пиньера P, Kocak DD, Vockley CM, Adler AF, Kabadi AM, Polstein LR, Thakore П.И., стекла К.А., Ousterout Д.Г., Леонг KW, Guilak F, Кроуфорд GE, Reddy TE, Gersbach CA (октябрь 2013). «РНК-управляемая активация генов факторами транскрипции на основе CRISPR-Cas9» . Методы природы . 10 (10): 973–6. DOI : 10.1038 / nmeth.2600 . PMC 3911785 . PMID 23892895 .  
  21. ^ Farzadfard F, Perli SD, Лу ТК (октябрь 2013 г. ). «Настраиваемые и многофункциональные факторы транскрипции эукариот на основе CRISPR / Cas» . Синтетическая биология ACS . 2 (10): 604–13. DOI : 10.1021 / sb400081r . PMC 3805333 . PMID 23977949 .  
  22. ^ Cho SW, Ким S, Ким JM, Ким JS (март 2013). «Направленная инженерия генома в человеческих клетках с помощью Cas9 РНК-управляемой эндонуклеазы». Природа Биотехнологии . 31 (3): 230–2. DOI : 10.1038 / nbt.2507 . PMID 23360966 . S2CID 10165663 .  
  23. ^ Mali P, Esvelt км, Церковь GM (октябрь 2013 г. ). «Cas9 как универсальный инструмент инженерной биологии» . Методы природы . 10 (10): 957–63. DOI : 10.1038 / nmeth.2649 . PMC 4051438 . PMID 24076990 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • База данных DBD предсказанных факторов транскрипции Kummerfeld SK, Teichmann SA (январь 2006 г.). «DBD: база данных предсказания транскрипционных факторов» . Исследования нуклеиновых кислот . 34 (выпуск БД): D74-81. DOI : 10.1093 / NAR / gkj131 . PMC 1347493 . PMID 16381970 .   Использует тщательно подобранный набор ДНК-связывающих доменов для прогнозирования факторов транскрипции во всех полностью секвенированных геномах.
  • Таблица ДНК-связывающих мотивов
  • ДНК + Footprinting в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
  • Связывание ДНК + белки в медицинских предметных рубриках Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)
  • ДНК-связывающие домены в PROSITE