Bakteriální protein vázající DNA - Bacterial DNA binding protein

Bac_DNA_binding
PDB 1p51 EBI.jpg
anabaena hu-dna kokrystalická struktura (ahu6)
Identifikátory
SymbolBac_DNA_binding
PfamPF00216
InterProIPR000119
STRÁNKAPDOC00044
SCOP21 odstín / Rozsah / SUPFAM
CDDcd00591

V molekulární biologii bakteriální DNA vázající proteiny jsou obvykle malá rodina základní bílkoviny asi 90 zbytků svázat DNA a jsou známé jako proteiny podobné histonu.[1][2] Protože bakteriální vazebné proteiny mají různé funkce, je obtížné vyvinout společnou funkci pro všechny z nich. Běžně se označují jako jako histon a mají mnoho podobných znaků s eukaryotickými histonovými proteiny. Eukaryotický histony zabalit DNA, aby mu pomohla zapadnout do jádra, a je o nich známo, že jsou v přírodě nejkonzervovanějšími proteiny.[3] Mezi příklady patří HU protein v Escherichia coli, a dimer úzce souvisejících řetězců alfa a beta a dalších bakterie může být dimerem identických řetězců. Proteiny typu HU byly nalezeny v různých eubakteriích (včetně sinice ) a archaebakterie a jsou také zakódovány v chloroplast genom některých řasy.[4] Faktor integrace hostitele (IHF), a dimer úzce souvisejících řetězců, u nichž se navrhuje, aby fungovaly genetická rekombinace stejně jako v překladový a transkripční řízení[5] se nachází v Enterobakterie a virové proteiny včetně Africký mor prasat virový protein A104R (nebo LMW5-AR).[6]

Tato rodina se také vyskytuje ve skupině eukaryot známých jako dinoflageláty. Tyto dinoflagelátové proteiny podobné histonu nahradit histon v některých dinoflagelátech a balíček DNA do tekutého krystalického stavu.[7]

Dějiny

Proteiny podobné histonu jsou přítomny v mnoha Eubakterie, Sinice, a Archeobakterie. Tyto proteiny se účastní všech funkcí závislých na DNA; v těchto procesech mají bakteriální DNA vázající proteiny architektonickou roli a udržují strukturální integritu jako transkripce, rekombinace probíhá replikace nebo jakýkoli jiný proces závislý na DNA. Eukaryotické histony byly poprvé objeveny experimenty v 0,4M NaCl. V těchto vysokých koncentracích solí je eukaryotický histonový protein eluován z roztoku DNA, ve kterém je jednovláknová DNA kovalentně navázána na celulózu. Po eluci protein snadno váže DNA, což ukazuje na vysokou afinitu proteinu k DNA. Bylo známo, že v bakteriích nejsou přítomny proteiny podobné histonům, dokud nebyly zaznamenány podobnosti mezi eukaryotickými histony a HU-proteinem, zejména kvůli jejich hojnosti. zásaditost a malá velikost obou proteinů.[8] Po dalším šetření bylo zjištěno, že aminokyselina složení HU se podobá složení eukaryotických histonů, což vedlo k dalšímu výzkumu přesné funkce bakteriálních proteinů vázajících DNA a objevů dalších souvisejících proteinů v bakteriích.

Role v replikaci DNA

Výzkum naznačuje, že bakteriální DNA vážící protein má během toho důležitou roli replikace DNA; protein se podílí na stabilizaci zaostávajícího řetězce i na interakci s ním DNA polymeráza III. Role proteinu vázajícího jednořetězcovou DNA (SSB) během replikace DNA v Escherichia coli buňky byly studovány, konkrétně interakce mezi SSB a χ podjednotkou DNA polymerázy III v prostředích s různými koncentracemi solí.[9]

Při replikaci DNA v místě zaostávajícího řetězce DNA polymeráza III odstraňuje nukleotidy jednotlivě z proteinu vázajícího DNA. Nestabilní systém SSB / DNA by vedl k rychlému rozpadu SSB, což by zastavilo replikaci DNA. Výzkum ukázal, že ssDNA je stabilizována interakcí SSB a χ podjednotky DNA polymerázy III v E. coli, čímž se připravuje replikace udržováním správné konformace, která zvyšuje vazebnou afinitu enzymů k ssDNA. Kromě toho vazba SSB na DNA polymerázu III na replikační vidlici zabraňuje disociaci SSB, což následně zvyšuje účinnost DNA polymerázy III při syntéze nového řetězce DNA.

Příklady

H-NS

[10](i) RNA polymeráza na promotoru je obklopena zakřivenou DNA. (ii) Tato zakřivená DNA se obalí kolem polymerázy. (iii) H-NS se váže na zakřivenou DNA, aby uzamkla RNA polymerázu na promotoru a zabránila výskytu transkripce. (iv) Environmentální signály a transkripční faktory uvolňují DNA bakteriální vazebný protein a umožňují transkripci pokračovat.

Zpočátku se předpokládalo, že bakteriální DNA vázající proteiny pomáhají stabilizovat bakteriální DNA. V současné době bylo objeveno mnoho dalších funkcí bakterií vázajících proteiny DNA, včetně regulace genová exprese podle histon podobný protein strukturující nukleoidy, H-NS.

H-NS je asi 15,6 kDa a pomáhá při regulaci bakteriální transkripce v bakteriích potlačením a aktivací určitých genů. H-NS se váže na DNA s vnitřním zakřivením. v E-coli, H-NS se váže na promotor P1 s poklesem rRNA produkce během stacionárních a pomalých růstových období. RNA polymeráza a H-NS DNA vazebný protein mají překrývající se vazebná místa; Předpokládá se, že H-NS reguluje produkci rRNA působením na místo zahájení transkripce. Bylo zjištěno, že H-NS a RNA polymeráza se vážou na promotor P1 a tvoří komplex. Když je H-NS navázán s RNA polymerázou na promotorovou oblast, existují strukturální rozdíly v DNA, které jsou přístupné.[11] Bylo také zjištěno, že H-NS může ovlivnit také translaci vazbou na mRNA a způsobuje jeho degradaci.

HU

HU je malý (10 kDa[12]) bakteriální protein podobný histonu, který se podobá eukaryotickému Histon H2B. HU působí podobně jako histon indukcí negativního nadšroubovávání do kruhové DNA za pomoci topoizomeráza. Protein byl zapojen do replikace, rekombinace a opravy DNA. S a-helikálním hydrofobním jádrem a dvěma kladně nabitými rameny β-pásu se HU nespecificky váže na dsDNA s nízkou afinitou, ale váže se na změněnou DNA - jako jsou spoje, vruby, mezery, vidlice a převisy - s vysokou afinitou. Ramena se vážou na menší rýhu DNA ve stavech s nízkou afinitou; ve stavech s vysokou afinitou interaguje komponenta a-helikálního jádra také s DNA. Funkce tohoto proteinu se však neomezuje pouze na DNA; HU se také váže na RNA a hybridy DNA-RNA se stejnou afinitou jako nadšroubovicová DNA.[13]

Nedávný výzkum ukázal, že HU se váže s vysokou specificitou na mRNA rpoS,[14] přepis stresu faktor sigma RNA polymerázy a stimuluje translaci proteinu. Kromě této funkce RNA bylo také prokázáno, že HU váže DsrA, malou nekódující RNA, která reguluje transkripce prostřednictvím potlačování H-NS a stimuluje translaci zvýšením exprese rpoS. Tyto interakce naznačují, že HU má několik vlivů na transkripci a překlad v bakteriálních buňkách.

IHF

Integrační hostitelský faktor, IHF, je protein spojený s nukleoidy, který se nachází pouze v gramnegativních bakteriích.[15] Jedná se o 20 kDa heterodimer, složený z podjednotek α ​​a β, které se vážou na sekvenci 5 '- WATCAANNNNTTR - 3' a ohýbají DNA přibližně o 160 stupňů.[16] Β ramena IHF mají Prolin zbytky, které pomáhají stabilizovat smyčky DNA. Tyto zlomy mohou pomoci zhutnit DNA a umožnit supercoiling. Způsob vazby na DNA závisí na faktorech prostředí, jako je koncentrace přítomných iontů. Při vysoké koncentraci KCl dochází k slabému ohýbání DNA. Bylo zjištěno, že k ostřejšímu ohýbání DNA dochází, když je koncentrace KCl menší než 100 mM a IHF není koncentrován.[17]

IHF byl objeven jako nezbytný kofaktor pro rekombinace z λ fág do E-coli. V roce 2016 bylo zjištěno, že IHF hraje také klíčovou roli CRISPR systémy typu I a typu II. Má hlavní roli v tom, že umožňuje komplexu Cas1-Cas2 integrovat nové mezerníky do sekvence CRISPR. Předpokládá se, že ohýbání DNA IHF mění mezery v hlavních a vedlejších rýhách DNA, což umožňuje komplexu Cas1-Cas2 navázat kontakt s bázemi DNA.[18] Toto je klíčová funkce v systému CRISPR, protože zajišťuje, že nová oblast spacerů bude vždy přidána na začátek sekvence CRISPR vedle vedoucí sekvence. Toto směrování integrace IHF zajišťuje, že distanční vložky jsou přidávány chronologicky, což umožňuje lepší ochranu před nejnovější virovou infekcí.[19]

Srovnání

Tabulka 1. Srovnání některých proteinů vázajících DNA
Protein vázající DNAVelikostStrukturaZávazný webÚčinek
H-NS15,6 kDav dimerech fyzicky brání vazbě RNA polymerázy na promotorváže se na ohnutou DNA, váže se na promotor P1 v E-coliregulace genové exprese
HU10 kDaα-šroubovité jádro a dvě kladně nabitá ramena β-páskyváže se nespecificky na dsDNA, váže se na DsrA, malou nekódující RNA, která reguluje transkripciindukuje negativní supercoiling do kruhové DNA
IHF20 kDaαβαβ hetrodimerváže se na specifické sekvence DNAvytváří zlomy v DNA

Důsledky a další výzkum

Funkce bakteriálních proteinů vázajících DNA se neomezují pouze na replikaci DNA. Vědci zkoumají další cesty, které tyto proteiny ovlivňují. Je známo, že protein vázající DNA H-NS hraje roli v organizaci chromozomů a regulaci genů; nedávné studie však také potvrdily jejich roli v nepřímé regulaci bičíky funkce.[20] Některé regulační vazby motility H-NS vlivy zahrnují poselskou molekulu Cyklický di-GMP, regulační protein biofilmu CsgD a faktory sigma, σ (S) a σ (F). Další studie mají za cíl charakterizovat způsoby, jak tento protein organizující nukleoidy ovlivňuje motilitu buňky jinými regulačními cestami.

Jiní vědci použili k výzkumu bakteriální proteiny vázající DNA Salmonella enterica serovar Typhimurium, ve kterém jsou geny T6SS aktivovány z makrofágové infekce. Když S. Typhimurium infikovaných, lze jejich účinnost zlepšit pomocí mechanismu detekce a zabití pomocí umlčení T6SS H-NS.[21] Jsou vytvořeny testy, které kombinují reportérové ​​fúze, testy posunu elektroforetické mobility, stopu DNázy a fluorescenční mikroskopii k umlčení genového klastru T6SS histonovým nukleoidním strukturním H-NS proteinem.

Viz také

Reference

  1. ^ Drlica K, Rouviere-Yaniv J (září 1987). "Bakterie podobné bakteriím histon". Mikrobiologické recenze. 51 (3): 301–19. doi:10.1128 / MMBR.51.3.301-319.1987. PMC  373113. PMID  3118156.
  2. ^ Pettijohn DE (září 1988). "Proteiny podobné histonu a struktura bakteriálních chromozomů". The Journal of Biological Chemistry. 263 (26): 12793–6. PMID  3047111.
  3. ^ Griffiths, Anthony; Wessler, Susan; Carroll, Sean; Doebly, Johne. Úvod do genetické analýzy (10. vyd.). New York: W. H. Freeman and Company. str. 428–429.
  4. ^ Wang SL, Liu XQ (prosinec 1991). „Plastidový genom Cryptomonas phi kóduje protein podobný hsp70, protein podobný histonu a protein nosiče acylu“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 88 (23): 10783–7. doi:10.1073 / pnas.88.23.10783. PMC  53015. PMID  1961745.
  5. ^ Friedman DI (listopad 1988). „Hostitelský faktor integrace: protein ze všech důvodů“ (PDF). Buňka. 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, MD Sussman, Roberts PC, Yozawa T, Rock DL (březen 1993). „Gen viru afrického moru prasat s podobností s bakteriálními vazebnými proteiny DNA, bakteriálními hostitelskými faktory integrace a transkripčním faktorem SPO1 fága Bacillus, TF1“. Výzkum nukleových kyselin. 21 (6): 1496. doi:10.1093 / nar / 21.6.1496. PMC  309344. PMID  8464748.
  7. ^ Riaz, S; Sui, Z; Niaz, Z; Khan, S; Liu, Y; Liu, H (14. prosince 2018). „Výrazné jaderné vlastnosti dinoflagelátů se zvláštním zaměřením na histon a proteiny nahrazující histon“. Mikroorganismy. 6 (4): 128. doi:10,3390 / mikroorganismy6040128. PMC  6313786. PMID  30558155.
  8. ^ Drlica K, Rouviere-Yaniv J (září 1987). "Bakterie podobné bakteriím histon". Mikrobiologické recenze. 51 (3): 301–19. doi:10.1128 / MMBR.51.3.301-319.1987. PMC  373113. PMID  3118156.
  9. ^ Witte G, Urbanke C, Curth U (srpen 2003). „DNA podjednotka DNA polymerázy III váže jednovláknový protein vázající DNA na bakteriální replikační stroj“. Výzkum nukleových kyselin. 31 (15): 4434–40. doi:10,1093 / nar / gkg498. PMC  169888. PMID  12888503.
  10. ^ Dorman, Charles J; Deighan, Padraig (01.04.2003). "Regulace genové exprese histonovými proteiny v bakteriích". Aktuální názor na genetiku a vývoj. 13 (2): 179–184. doi:10.1016 / S0959-437X (03) 00025-X. PMID  12672495.
  11. ^ Schröder O, Wagner R (květen 2000). „Bakteriální protein vázající DNA H-NS potlačuje transkripci ribozomální RNA tím, že zachycuje RNA polymerázu v iniciačním komplexu“. Journal of Molecular Biology. 298 (5): 737–48. doi:10.1006 / jmbi.2000.3708. PMID  10801345.
  12. ^ Serban D, Arcineigas SF, Vorgias CE, Thomas GJ (duben 2003). "Struktura a dynamika proteinu vázajícího DNA HU B. stearothermophilus zkoumaného Ramanovou a ultrafialovou rezonanční Ramanovou spektroskopií". Věda o bílkovinách. 12 (4): 861–70. doi:10.1110 / ps.0234103. PMC  2323852. PMID  12649443.
  13. ^ Balandina A, Kamashev D, Rouviere-Yaniv J (srpen 2002). „Bakteriální protein podobný histonu HU specificky rozpoznává podobné struktury ve všech nukleových kyselinách. DNA, RNA a jejich hybridy“. The Journal of Biological Chemistry. 277 (31): 27622–8. doi:10.1074 / jbc.M201978200. PMID  12006568.
  14. ^ Balandina A, Claret L, Hengge-Aronis R, Rouviere-Yaniv J (únor 2001). „Escherichia coli histonový protein HU reguluje translaci rpoS“. Molekulární mikrobiologie. 39 (4): 1069–79. doi:10.1046 / j.1365-2958.2001.02305.x. PMID  11251825.
  15. ^ Dillon SC, Dorman CJ (březen 2010). "Bakteriální proteiny spojené s nukleoidy, struktura nukleoidů a genová exprese". Recenze přírody. Mikrobiologie. 8 (3): 185–95. doi:10.1038 / nrmicro2261. PMID  20140026. S2CID  33103160.
  16. ^ Nuñez JK, Bai L, Harrington LB, Hinder TL, Doudna JA (červen 2016). „Imunologická paměť CRISPR vyžaduje pro svou specificitu faktor hostitele“. Molekulární buňka. 62 (6): 824–833. doi:10.1016 / j.molcel.2016.04.027. PMID  27211867.
  17. ^ Lin J, Chen H, Dröge P, Yan J (2012). „Fyzická organizace DNA více nespecifickými způsoby vazby DNA na faktor integrace hostitele (IHF)“. PLOS ONE. 7 (11): e49885. doi:10.1371 / journal.pone.0049885. PMC  3498176. PMID  23166787.
  18. ^ Nuñez JK, Bai L, Harrington LB, Hinder TL, Doudna JA (červen 2016). „Imunologická paměť CRISPR vyžaduje pro svou specificitu faktor hostitele“. Molekulární buňka. 62 (6): 824–833. doi:10.1016 / j.molcel.2016.04.027. PMID  27211867.
  19. ^ Sorek R, Lawrence CM, Wiedenheft B (2013). „Adaptivní imunitní systém zprostředkovaný CRISPR u bakterií a archea“. Roční přehled biochemie. 82 (1): 237–66. doi:10,1146 / annurev-biochem-072911-172315. PMID  23495939.
  20. ^ Kim EA, Blair DF (říjen 2015). „Funkce histonového proteinu H-NS v motilitě Escherichia coli: Spíše regulační role než přímé působení na bičíkový motor“. Journal of Bacteriology. 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 (červenec 2015). "H-NS umlčování sekrečního systému typu 6 kódovaného typu VI na ostrově salmonely Salmonella enterica Serovar Typhimurium Interbacterial Killing". Infekce a imunita. 83 (7): 2738–50. doi:10.1128 / IAI.00198-15. PMC  4468533. PMID  25916986.
Tento článek včlení text od public domain Pfam a InterPro: IPR000119