Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Белковый комплекс Cro с ДНК
Взаимодействие ДНК (оранжевый) с гистонами (синий). Основные аминокислоты этих белков связываются с кислыми фосфатными группами ДНК.
Лямбда - репрессор спираль-поворот-спираль фактор транскрипции , связанный с его мишенью ДНК [1]
Фермент рестрикции EcoRV (зеленый) в комплексе с субстратной ДНК [2]

ДНК-связывающие белки - это белки, которые имеют ДНК-связывающие домены и, таким образом, обладают специфическим или общим сродством к одноцепочечной или двухцепочечной ДНК . [3] [4] [5] Последовательность специфических ДНК-связывающие белки , как правило , взаимодействует с большой бороздкой из B-ДНК , потому что он предоставляет более функциональных группы , которые идентифицируют пару оснований . Однако есть некоторые известные ДНК-связывающие лиганды с малой бороздкой, такие как нетропсин , [6] дистамицин , Hoechst 33258 , пентамидин , DAPI.и другие. [7]

Примеры [ править ]

ДНК-связывающие белки включают факторы транскрипции, которые модулируют процесс транскрипции, различные полимеразы , нуклеазы, расщепляющие молекулы ДНК, и гистоны, которые участвуют в упаковке хромосом и транскрипции в ядре клетки . ДНК-связывающие белки могут включать такие домены, как цинковый палец , спираль-поворот-спираль и лейциновая молния (среди многих других), которые облегчают связывание с нуклеиновой кислотой. Существуют также более необычные примеры, такие как эффекторы, подобные активаторам транскрипции .

Неспецифические ДНК-белковые взаимодействия [ править ]

Структурные белки, связывающие ДНК, являются хорошо изученными примерами неспецифических ДНК-белковых взаимодействий. Внутри хромосом ДНК находится в комплексах со структурными белками. Эти белки организуют ДНК в компактную структуру, называемую хроматином . У эукариот эта структура включает связывание ДНК с комплексом небольших основных белков, называемых гистонами . У прокариот задействовано несколько типов белков. [8] [9] Гистоны образуют дискообразный комплекс, называемый нуклеосомой , который содержит два полных витка двухцепочечной ДНК, обернутой вокруг ее поверхности. Эти неспецифические взаимодействия образуются за счет основных остатков в гистонах, образующих ионные связи.к кислому сахарно-фосфатному остову ДНК и поэтому в значительной степени не зависят от последовательности оснований. [10] Химические модификации этих основных аминокислотных остатков включают метилирование , фосфорилирование и ацетилирование . [11] Эти химические изменения изменяют силу взаимодействия между ДНК и гистонами, делая ДНК более или менее доступной для факторов транскрипции и изменяя скорость транскрипции. [12] Другие неспецифические ДНК-связывающие белки в хроматине включают белки группы высокой подвижности (HMG), которые связываются с изогнутой или искаженной ДНК. [13]Биофизические исследования показывают, что эти архитектурные белки HMG связывают, изгибают и петляют ДНК для выполнения своих биологических функций. [14] [15] Эти белки важны для изгиба массивов нуклеосом и их упорядочения в более крупные структуры, образующие хромосомы. [16]

Белки, которые специфически связывают одноцепочечную ДНК [ править ]

Дополнительная информация: Одноцепочечный связывающий белок

Отдельной группой ДНК-связывающих белков являются ДНК-связывающие белки, которые специфически связывают одноцепочечную ДНК. У людей репликационный белок А является наиболее изученным членом этого семейства и используется в процессах, в которых двойная спираль разделяется, включая репликацию ДНК, рекомбинацию и репарацию ДНК. [17] Эти связывающие белки, по-видимому, стабилизируют одноцепочечную ДНК и защищают ее от образования стержневых петель или разрушения под действием нуклеаз .

Связывание с конкретными последовательностями ДНК [ править ]

Напротив, другие белки эволюционировали, чтобы связываться с конкретными последовательностями ДНК. Наиболее интенсивно из них изучаются различные факторы транскрипции , которые представляют собой белки, регулирующие транскрипцию. Каждый фактор транскрипции связывается с одним конкретным набором последовательностей ДНК и активирует или ингибирует транскрипцию генов, которые имеют эти последовательности рядом с их промоторами. Факторы транскрипции делают это двумя способами. Во-первых, они могут связываться с РНК-полимеразой, ответственной за транскрипцию, либо напрямую, либо через другие белки-медиаторы; это определяет местонахождение полимеразы на промоторе и позволяет ей начать транскрипцию. [18] Кроме того, факторы транскрипции могут связывать ферменты.которые модифицируют гистоны на промоторе. Это изменяет доступность матрицы ДНК для полимеразы. [19]

Эти ДНК-мишени могут встречаться по всему геному организма. Таким образом, изменение активности одного типа факторов транскрипции может повлиять на тысячи генов. [20] Таким образом, эти белки часто являются мишенями процессов передачи сигналов, которые контролируют реакции на изменения окружающей среды или клеточную дифференцировку и развитие. Специфичность взаимодействия этих факторов транскрипции с ДНК обусловлена ​​множественными контактами белков с краями оснований ДНК, что позволяет им считывать последовательность ДНК. Большинство взаимодействий с основанием происходит в большой бороздке, где основания наиболее доступны. [21]Математические описания связывания белок-ДНК с учетом специфичности последовательности, а также конкурентного и кооперативного связывания белков разных типов обычно выполняются с помощью решетчатых моделей . [22] Были предложены вычислительные методы для определения специфичности ДНК-связывающей последовательности, чтобы эффективно использовать многочисленные данные о последовательностях в постгеномную эру. [23]

Взаимодействия белок-ДНК [ править ]

Взаимодействия белок-ДНК происходят , когда белок связывается с молекулой ДНК , часто регулировать биологическую функцию ДНК, как правило, выражение в виде гена . Среди белков, которые связываются с ДНК, есть факторы транскрипции, которые активируют или подавляют экспрессию генов путем связывания с мотивами ДНК и гистонами, которые составляют часть структуры ДНК и связываются с ней менее специфично. Также с ней тесно взаимодействуют белки, восстанавливающие ДНК, такие как урацил-ДНК-гликозилаза .

Обычно белки связываются с ДНК в большой бороздке ; однако бывают исключения. [24] Взаимодействие белок-ДНК бывает в основном двух типов: специфическое или неспецифическое. Недавние эксперименты с одной молекулой показали, что ДНК-связывающие белки подвергаются быстрому повторному связыванию, чтобы связываться в правильной ориентации для распознавания целевого сайта. [25]

Дизайн [ править ]

Создание ДНК-связывающих белков, которые имеют определенный ДНК-связывающий сайт, было важной целью биотехнологии. Белки с цинковыми пальцами были разработаны для связывания со специфическими последовательностями ДНК, и это основа нуклеаз цинковых пальцев . Недавно были созданы эффекторные нуклеазы, подобные активаторам транскрипции (TALEN), которые основаны на природных белках, секретируемых бактериями Xanthomonas через их систему секреции типа III, когда они инфицируют различные виды растений . [26]

Методы обнаружения [ править ]

Существует множество методов in vitro и in vivo , которые можно использовать для обнаружения взаимодействий ДНК-белок. Ниже перечислены некоторые методы, которые используются в настоящее время: [27] Анализ сдвига электрофоретической подвижности (EMSA) - широко распространенный качественный метод для изучения взаимодействий белок-ДНК известных ДНК-связывающих белков. [28] [29] ДНК-белок-взаимодействие - иммуноферментный анализ (DPI-ELISA) позволяет проводить качественный и количественный анализ предпочтений связывания ДНК известных белков in vitro . [30] [31]Этот метод позволяет анализировать белковые комплексы, которые связываются с ДНК (DPI-Recruitment-ELISA), или подходит для автоматического скрининга нескольких нуклеотидных зондов благодаря своему стандартному формиату для планшетов ELISA [32] [33] . Анализ ДНКазного отпечатка можно использовать для идентификации конкретных сайтов связывания белка с ДНК при разрешении пар оснований. [34] Иммунопреципитация хроматина используется для идентификации целевых областей ДНК in vivo известного фактора транскрипции. Этот метод в сочетании с высокопроизводительным секвенированием известен как ChIP-Seq, а в сочетании с микрочипами он известен как ChIP-chip . Одногибридная дрожжевая система(Y1H) используется для определения того, какой белок связывается с конкретным фрагментом ДНК. Бактериальная одногибридная система (B1H) используется для определения того, какой белок связывается с конкретным фрагментом ДНК. Определение структуры с использованием рентгеновской кристаллографии было использовано для получения детального атомарного представления о взаимодействиях белок-ДНК. Помимо этих методов, в лаборатории для исследования взаимодействия ДНК-белок in vivo и in vitro используются другие методы, такие как SELEX, PBM (микроматрицы связывания белков), микроматрицы ДНК, DamID, FAIRE или, в последнее время, DAP-seq .

Управление взаимодействиями [ править ]

Взаимодействия белок-ДНК можно модулировать с помощью таких стимулов, как ионная сила буфера, макромолекулярное скопление, [35] температура, pH и электрическое поле. Это может привести к обратимой диссоциации / ассоциации комплекса белок-ДНК. [36] [37]

См. Также [ править ]

  • bZIP домен
  • ЧИП-экзо
  • Сравнение программного обеспечения для моделирования нуклеиновых кислот
  • ДНК-связывающий домен
  • Спираль-петля-спираль
  • Спираль-поворот-спираль
  • HMG-коробка
  • Лейциновая молния
  • Лекситропсин (полусинтетический ДНК-связывающий лиганд)
  • Дезоксирибонуклеопротеин
  • Программное обеспечение для прогнозирования сайтов взаимодействия белков с ДНК
  • РНК-связывающий белок
  • Одноцепочечный связывающий белок
  • Цинковый палец

Ссылки [ править ]

  1. ^ Создано из PDB 1LMB
  2. ^ Создано из PDB 1RVA
  3. Перейти ↑ Travers, AA (1993). ДНК-белковые взаимодействия . Лондон: Спрингер. ISBN 978-0-412-25990-6.
  4. ^ Pabo СО, Sauer РТ (1984). «Узнавание белка-ДНК». Анну. Rev. Biochem . 53 (1): 293–321. DOI : 10.1146 / annurev.bi.53.070184.001453 . PMID 6236744 . 
  5. ^ Дикерсон RE (1983). «Спираль ДНК и как ее читают». Sci Am . 249 (6): 94–111. Bibcode : 1983SciAm.249f..94D . DOI : 10.1038 / Scientificamerican1283-94 .
  6. ^ Zimmer C, Wähnert U (1986). «Неинтеркалирующие ДНК-связывающие лиганды: специфичность взаимодействия и их использование в качестве инструментов в биофизических, биохимических и биологических исследованиях генетического материала» . Прог. Биофиз. Мол. Биол . 47 (1): 31–112. DOI : 10.1016 / 0079-6107 (86) 90005-2 . PMID 2422697 . 
  7. ^ Dervan PB (апрель 1986). «Дизайн последовательности-специфичных ДНК-связывающих молекул». Наука . 232 (4749): 464–71. Bibcode : 1986Sci ... 232..464D . DOI : 10.1126 / science.2421408 . PMID 2421408 . 
  8. Перейти ↑ Sandman K, Pereira S, Reeve J (1998). «Разнообразие прокариотических хромосомных белков и происхождение нуклеосом». Cell Mol Life Sci . 54 (12): 1350–64. DOI : 10.1007 / s000180050259 . PMID 9893710 . S2CID 21101836 .  
  9. Перейти ↑ Dame RT (2005). «Роль нуклеоид-ассоциированных белков в организации и уплотнении бактериального хроматина» . Мол. Microbiol . 56 (4): 858–70. DOI : 10.1111 / j.1365-2958.2005.04598.x . PMID 15853876 . 
  10. ^ Люгер К, Mader А, Ричмонд R, D Sargent, Ричмонд Т (1997). «Кристаллическая структура ядерной частицы нуклеосомы с разрешением 2,8 A». Природа . 389 (6648): 251–60. Bibcode : 1997Natur.389..251L . DOI : 10.1038 / 38444 . PMID 9305837 . S2CID 4328827 .  
  11. ^ Jenuwein Т, Эллиса С (2001). «Перевод гистонового кода». Наука . 293 (5532): 1074–80. CiteSeerX 10.1.1.453.900 . DOI : 10.1126 / science.1063127 . PMID 11498575 . S2CID 1883924 .   
  12. Перейти ↑ Ito T (2003). «Сборка и ремоделирование нуклеосом». Сборка и ремоделирование нуклеосом . Curr Top Microbiol Immunol . Актуальные темы микробиологии и иммунологии. 274 . С. 1–22. DOI : 10.1007 / 978-3-642-55747-7_1 . ISBN 978-3-642-62909-9. PMID  12596902 .
  13. Перейти ↑ Thomas J (2001). «HMG1 и 2: архитектурные ДНК-связывающие белки». Biochem Soc Trans . 29 (Pt 4): 395–401. DOI : 10.1042 / BST0290395 . PMID 11497996 . 
  14. ^ Муругесапиллай, Дивакаран; Макколи, Мика Дж .; Хо, Ран; Нельсон Холт, Молли Х .; Степанянц, Армен; Махер, Л. Джеймс; Israeloff, Nathan E .; Уильямс, Марк К. (2014). «Соединение ДНК и образование петель с помощью HMO1 обеспечивает механизм стабилизации хроматина, свободного от нуклеосом» . Исследования нуклеиновых кислот . 42 (14): 8996–9004. DOI : 10.1093 / NAR / gku635 . PMC 4132745 . PMID 25063301 .  
  15. ^ Муругесапиллай, Дивакаран; Макколи, Мика Дж .; Махер, Л. Джеймс; Уильямс, Марк К. (2017). «Одномолекулярные исследования архитектурных изгибающих белков группы B с высокой подвижностью» . Биофизические обзоры . 9 (1): 17–40. DOI : 10.1007 / s12551-016-0236-4 . PMC 5331113 . PMID 28303166 .  
  16. ^ Grosschedl Р, К Гис, Пейджел J (1994). «Белки домена HMG: архитектурные элементы сборки нуклеопротеиновых структур». Тенденции Genet . 10 (3): 94–100. DOI : 10.1016 / 0168-9525 (94) 90232-1 . PMID 8178371 . 
  17. ^ Iftode С, Даниэлы Y, Боровиц J (1999). «Репликационный белок А (RPA): эукариотический SSB». Crit Rev Biochem Mol Biol . 34 (3): 141–80. DOI : 10.1080 / 10409239991209255 . PMID 10473346 . 
  18. Перейти ↑ Myers L, Kornberg R (2000). «Медиатор регуляции транскрипции». Анну Рев Биохим . 69 (1): 729–49. DOI : 10.1146 / annurev.biochem.69.1.729 . PMID 10966474 . 
  19. ^ Шпигельман В, Генрих R (2004). «Биологический контроль с помощью регулируемых транскрипционных коактиваторов». Cell . 119 (2): 157–67. DOI : 10.1016 / j.cell.2004.09.037 . PMID 15479634 . S2CID 14668705 .  
  20. ^ Ли Z, Ван калькара S, Цюй С, Cavenee Вт, Чжан М, Рен В (2003). «Глобальная регуляторная роль транскрипции c-Myc в клетках лимфомы Беркитта» . Proc Natl Acad Sci USA . 100 (14): 8164–9. Bibcode : 2003PNAS..100.8164L . DOI : 10.1073 / pnas.1332764100 . PMC 166200 . PMID 12808131 .  
  21. ^ Pabo С, Sauer R (1984). «Узнавание белка-ДНК». Анну Рев Биохим . 53 (1): 293–321. DOI : 10.1146 / annurev.bi.53.070184.001453 . PMID 6236744 . 
  22. ^ Teif VB; Риппе К. (2010). «Статистико-механические решетчатые модели связывания белок-ДНК в хроматине». Журнал физики: конденсированное вещество . 22 (41): 414105. arXiv : 1004.5514 . Bibcode : 2010JPCM ... 22O4105T . DOI : 10.1088 / 0953-8984 / 22/41/414105 . PMID 21386588 . S2CID 103345 .  
  23. ^ Wong KC Чан TM, Peng C, Li Y, Z Zhang (2013). «Выяснение мотивов ДНК с использованием распространения убеждений» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (16): e153. DOI : 10.1093 / NAR / gkt574 . PMC 3763557 . PMID 23814189 .  
  24. ^ Бели CA, Gronenborn AM, Clore GM (1998). «Малые архитектурные белки, связывающие бороздки: структура, функция и распознавание ДНК» . Annu Rev Biophys Biomol Struct . 27 : 105–31. DOI : 10.1146 / annurev.biophys.27.1.105 . PMC 4781445 . PMID 9646864 .  
  25. ^ Ганджи, Махипал; Доктер, Маргрит; Ле Грайс, Стюарт Ф.Дж.; Аббонданциери, Элио А. (30 сентября 2016 г.). «ДНК-связывающие белки исследуют множественные локальные конфигурации во время стыковки посредством быстрого повторного связывания» . Исследования нуклеиновых кислот . 44 (17): 8376–8384. DOI : 10.1093 / NAR / gkw666 . ISSN 0305-1048 . PMC 5041478 . PMID 27471033 .   
  26. ^ Кларк KJ, Войтас Д.Ф., Эккер SC (сентябрь 2011 г.). «СКАЗКА о двух нуклеазах: нацеливание гена на массы?» . Данио . 8 (3): 147–9. DOI : 10.1089 / zeb.2011.9993 . PMC 3174730 . PMID 21929364 .  
  27. ↑ Cai YH, Huang H (июль 2012 г.). «Достижения в изучении взаимодействия белок-ДНК». Аминокислоты . 43 (3): 1141–6. DOI : 10.1007 / s00726-012-1377-9 . PMID 22842750 . S2CID 310256 .  
  28. ^ Fried M, Crothers DM (1981). «Равновесия и кинетика взаимодействий lac-репрессор-оператор при электрофорезе в полиакриламидном геле» . Nucleic Acids Res . 9 (23). DOI : 10.1093 / NAR / 9.23.6505 . PMC 327619 . PMID 6275366 .  
  29. Перейти ↑ Garner MM, Revzin A (1981). «Метод гель-электрофореза для количественной оценки связывания белков с конкретными участками ДНК: применение к компонентам системы регуляции лактозного оперона Escherichia coli» . Nucleic Acids Res . 9 (13). DOI : 10.1093 / NAR / 9.13.3047 . PMC 327330 . PMID 6269071 .  
  30. ^ Марка ЛГ, Kirchler Т, S Hummel, Чабан С, Ванкой D (2010). «DPI-ELISA: быстрый и универсальный метод определения связывания факторов транскрипции растений с ДНК in vitro» . Растительные методы . 25 (6). DOI : 10.1186 / 1746-4811-6-25 . PMID 21108821 . 
  31. ^ Фишер С.М., Босер А, Hirsch JP, Ванка D (2016). «Количественный анализ взаимодействия белок-ДНК с помощью qDPI-ELISA». Методы Мол. Биол. (1482): 49–66. DOI : 10.1007 / 978-1-4939-6396-6_4 . PMID 27557760 . 
  32. ↑ Hecker A, Brand LH, Peter S, Simoncello N, Kilian J, Harter K, Gaudin V, Wanke D (2015). «GAGA-связывающий фактор арабидопсиса BASIC PENTACYSTEINE6 привлекает компонент POLYCOMB-REPRESSIVE COMPLEX1, КАК ГЕТЕРОХРОМАТИН БЕЛК1, к мотивам ДНК GAGA» . Plant Physiol . 163 (3): 1013–1024. DOI : 10.1104 / pp.15.00409 . PMID 26025051 . 
  33. ^ Марка ЛГ, Henneges С, Schüssler А, Kolukisaoglu Hu, Коха G, Wallmeroth Н, Хекер А, Туроу К, Целль А, Хартер К, Ванке D (2013). «Скрининг взаимодействий белок-ДНК с помощью автоматизированного ELISA взаимодействия ДНК-белок» . PLoS One . 8 (10). DOI : 10.1371 / journal.pone.0075177 . PMID 24146751 . 
  34. ^ Галас DJ, Schmitz A (1978). «ДНК-следы: простой метод определения специфичности связывания белок-ДНК» . Nucleic Acids Res . 5 (9): 3157–3170. DOI : 10.1093 / NAR / 5.9.3157 . PMC 342238 . PMID 212715 .  
  35. ^ Ганджи, Махипал; Доктер, Маргрит; Грайс, Стюарт Ф. Дж. Ле; Аббонданциери, Элио А. (30 сентября 2016 г.). «ДНК-связывающие белки исследуют множественные локальные конфигурации во время стыковки посредством быстрого повторного связывания» . Исследования нуклеиновых кислот . 44 (17): 8376–8384. DOI : 10.1093 / NAR / gkw666 . ISSN 0305-1048 . PMC 5041478 . PMID 27471033 .   
  36. ^ Hianik Т, Ван J (2009). «Электрохимические аптасенсоры - последние достижения и перспективы». Электроанализ . 21 (11): 1223–1235. DOI : 10.1002 / elan.200904566 .
  37. ^ Gosai A, et al. (2016). «Связывание / расцепление человеческого комплекса тромбин-аптамер, контролируемое электрическим стимулом» . Sci. Rep . 6 : 37449. Bibcode : 2016NatSR ... 637449G . DOI : 10.1038 / srep37449 . PMC 5118750 . PMID 27874042 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Связывание белок-ДНК: данные, инструменты и модели (аннотированный список, постоянно обновляемый)
  • Инструмент Abalone для моделирования взаимодействий ДНК-лиганд.
  • База данных DBD предсказанных факторов транскрипции Использует тщательно подобранный набор ДНК-связывающих доменов для предсказания факторов транскрипции во всех полностью секвенированных геномах
  • Связывание ДНК + белки в предметных рубриках медицинской тематики Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)