Doména vázající DNA - DNA-binding domain

A Doména vázající DNA (DBD) je nezávisle složený proteinová doména který obsahuje alespoň jeden strukturální motiv který rozpoznává dvouvláknové nebo jednovláknové DNA. DBD dokáže rozpoznat specifickou sekvenci DNA (a sekvence rozpoznávání ) nebo mají obecnou afinitu k DNA.[1] Některé domény vázající DNA mohou také zahrnovat nukleové kyseliny v jejich složené struktuře.

Funkce

Příklad domény vázající DNA v kontextu proteinu. N-koncová doména vázající DNA (značená) Lac represor je regulován C-koncovou regulační doménou (označenou). Regulační doména váže alosterickou efektorovou molekulu (zelená). Alosterická odpověď proteinu je komunikována z regulační domény do domény vázající DNA prostřednictvím spojovací oblasti.[2]

Jedna nebo více domén vázajících DNA je často součástí větší protein skládající se z dalšího proteinové domény s odlišnou funkcí. Extra domény často regulují aktivitu domény vázající DNA. Funkce vazby DNA je buď strukturální, nebo zahrnuje regulace transkripce, přičemž tyto dvě role se někdy překrývají.

Domény vázající DNA s funkcí zahrnující DNA struktura má biologické role v replikace DNA, opravit, úložný prostor a úpravy, například methylace.

Mnoho proteinů zapojených do regulace genové exprese obsahují domény vázající DNA. Například proteiny, které regulují transkripce vazbou DNA se nazývají transkripční faktory. Konečný výstup většiny buněčné signalizační kaskády je genová regulace.

DBD interaguje s nukleotidy DNA v DNA sekvenčně specifické nebo nespecificky specifickým způsobem, ale i nespecifické rozpoznávání zahrnuje nějaký druh molekulární komplementarita mezi proteinem a DNA. Rozpoznání DNA pomocí DBD může nastat na hlavní nebo vedlejší drážce DNA nebo na páteři DNA s obsahem fosfátu (viz struktura DNA ). Každý specifický typ rozpoznávání DNA je přizpůsoben funkci proteinu. Například řezání DNA enzym DNAse I. řeže DNA téměř náhodně, a proto se musí vázat na DNA nespecifickým způsobem. Ale i tak DNAse I rozpoznává určitou 3-D DNA struktura, čímž se získá poněkud specifický vzor štěpení DNA, který může být užitečný pro studium rozpoznávání DNA technikou zvanou Stopy DNA.

Mnoho domén vázajících DNA musí rozpoznávat specifické sekvence DNA, například DBD z transkripční faktory které aktivují specifické geny nebo ty enzymy, které modifikují DNA na konkrétních místech, jako restrikční enzymy a telomeráza. The vodíkové vazby vzor v hlavní drážce DNA je méně degenerovaný než vzor v menší drážce DNA, což poskytuje atraktivnější místo pro sekvence - specifické rozpoznávání DNA.

Specifičnost proteinů vázajících DNA lze studovat pomocí mnoha biochemických a biofyzikálních technik, jako je např Gelová elektroforéza, analytická ultracentrifugace, kalorimetrie DNA mutace, proteinová struktura mutace nebo modifikace, nukleární magnetická rezonance, rentgenová krystalografie, povrchová plazmonová rezonance, elektronová paramagnetická rezonance, síťování a mikroskopická termoforéza (MST).

Protein vázající DNA v genomech

Velká část genů v každém genomu kóduje proteiny vázající DNA (viz tabulka). Avšak pouze poměrně malý počet proteinových rodin se váže na DNA. Například více než 2000 z ~ 20 000 lidských proteinů je „DNA vázajících“, včetně asi 750 proteinů se zinkovým prstem.[3]

DruhProteiny vázající DNA[4]Rodiny vázající DNA[4]
Arabidopsis thaliana (řeřicha thale)4471300
Saccharomyces cerevisiae (droždí)720243
Caenorhabditis elegans (červ)2028271
Drosophila melanogaster (ovocný let)2620283

Typy

Helix-turn-helix

Hlavní článek: Helix-turn-helix

Původně objeven v bakteriích helix-turn-helix motiv se běžně vyskytuje v represorových proteinech a je dlouhý přibližně 20 aminokyselin. V eukaryotech je homeodomain obsahuje 2 šroubovice, z nichž jedna rozpoznává DNA (aka rozpoznávací šroubovice). Jsou běžné v bílkovinách, které regulují vývojové procesy (STRÁNKA HTH ).

Zinkový prst

Hlavní článek: Zinkový prst
Krystalografická struktura (PDB: 1R4O) Dimeru zinkového prstu obsahujícího DBD z glukokortikoidový receptor (nahoře) vázán na DNA (dole). Atomy zinku jsou reprezentovány šedými koulemi a koordinační cysteinové postranní řetězce jsou znázorněny jako tyčinky.

The zinkový prst doména se většinou vyskytuje u eukaryot, ale některé příklady byly nalezeny u bakterií.[5] Doména se zinkovým prstem je obecně dlouhá mezi 23 a 28 aminokyselinami a je stabilizována koordinací iontů zinku s pravidelně rozmístěnými zbytky koordinujícími zinek (buď histidiny nebo cysteiny). Nejběžnější třída zinkového prstu (Cys2His2) koordinuje jeden iont zinku a skládá se z rozpoznávací šroubovice a dvouvláknového beta listu.[6] V transkripčních faktorech se tyto domény často nacházejí v polích (obvykle oddělených krátkými linkerovými sekvencemi) a sousední prsty jsou při navázání na DNA rozmístěny ve 3 intervalech párů bází.

Leucinový zip

Hlavní článek: Leucinový zip

Základní leucinový zip (bZIP ) doména se nachází hlavně v eukaryotech a v omezené míře v bakteriích. Doména bZIP obsahuje alfa šroubovici s a leucin na každou 7. aminokyselinu. Pokud se dvě takové helixy navzájem najdou, mohou leuciny interagovat jako zuby v zipu, což umožňuje dimerizaci dvou proteinů. Při vazbě na DNA se zbytky bazických aminokyselin vážou na páteř cukr-fosfát, zatímco šroubovice sedí v hlavních rýhách. Reguluje genovou expresi.

Okřídlená spirála

Skládá se z přibližně 110 aminokyselin okřídlená spirála (WH) doména má čtyři šroubovice a dvouvláknový beta-list.

Okřídlená šroubovice-otočka-šroubovice

Okřídlený helix-turn-helix (wHTH) doména SCOP 46785 je typicky dlouhá 85-90 aminokyselin. Je tvořen 3-šroubovicovým svazkem a 4-vláknovým beta-listem (křídlo).

Helix-loop-helix

The základní šroubovice-smyčka-šroubovice (bHLH) doména se nachází v některých transkripční faktory a vyznačuje se dvěma alfa helixy (α-šroubovice) spojené smyčkou. Jedna spirála je obvykle menší a díky flexibilitě smyčky umožňuje dimerizaci složením a zabalením proti jiné spirále. Větší šroubovice obvykle obsahuje oblasti vázající DNA.

HMG box

HMG box domény se nacházejí v proteinech skupiny s vysokou mobilitou, které se účastní různých procesů závislých na DNA, jako je replikace a transkripce. Rovněž mění flexibilitu DNA indukcí ohybů.[7][8] Doména se skládá ze tří alfa šroubovic oddělených smyčkami.

Wor3 doména

Domény Wor3, pojmenované podle White – Opaque Regulator 3 (Wor3) v Candida albicans vznikly nedávno v evolučním čase než většina dříve popsaných domén vázajících DNA a jsou omezeny na malý počet hub.[9]

OB složená doména

Přehyb OB je malý strukturální motiv původně pojmenovaný podle něj Óligonukleotid /Óligosacharid bindingové vlastnosti. OB-násobné domény mají délku mezi 70 a 150 aminokyselinami.[10] Ohyby OB váží jednovláknovou DNA, a proto jsou jednovláknové vazebné proteiny.[10]

OB-násobné proteiny byly identifikovány jako kritické pro replikace DNA, DNA rekombinace, Oprava DNA, transkripce, překlad, reakce na chladný šok, a telomer údržba.[11]

Neobvyklý

Imunoglobulinový záhyb

The imunoglobulinová doména (InterPro: IPR013783 ) se skládá ze struktury beta-listu s velkými spojovacími smyčkami, které slouží k rozpoznání buď velkých rýh DNA, nebo antigenů. Obvykle se nacházejí v imunoglobulinových proteinech, jsou také přítomny ve statových proteinech cytokinové dráhy. Je to pravděpodobné, protože cesta cytokinů se vyvinula relativně nedávno a místo vytvoření své vlastní využívá systémy, které již byly funkční.

Doména B3

The B3 DBD (InterPro: IPR003340, SCOP 117343 ) se nachází výhradně v transkripční faktory z vyšší rostliny a restrikční endonukleázy EcoRII a BfiI a obvykle se skládá ze 100-120 zbytků. Zahrnuje sedm beta listy a dva alfa helixy, které tvoří pseudobarrel vázající DNA proteinový záhyb.

TAL efektor

TAL efektory se nacházejí v bakteriálních rostlinných patogenech rodu Xanthomonas a podílejí se na regulaci genů hostitelské rostliny za účelem usnadnění bakteriální virulence, proliferace a šíření.[12] Obsahují centrální oblast opakování tandemu 33-35 zbytků a každá oblast opakování kóduje jednu DNA základnu ve vazebném místě TALE.[13][14] V opakování je to samotný zbytek 13, který přímo kontaktuje DNA základnu, určuje specificitu sekvence, zatímco jiné polohy navazují kontakty s páteří DNA a stabilizují interakci vázající DNA.[15] Každé opakování v rámci pole má podobu spárovaných alfa-šroubovic, zatímco celé pole opakování tvoří pravoruký superhelix, obklopující dvojitou šroubovici DNA. Bylo prokázáno, že repalační pole efektoru TAL se smršťují po navázání DNA a byl navržen mechanismus vyhledávání ve dvou stavech, přičemž podlouhlý TALE se začíná smršťovat kolem DNA počínaje úspěšným rozpoznáním thyminu z jedinečné repetiční jednotky N-terminálu jádra TAL -efektové pole pro opakování.[16]Příbuzné proteiny se nacházejí v bakteriálním rostlinném patogenu Ralstonia solanacearum,[17] houbový endosymbiont Burkholderia rhizoxinica[18] a dva dosud neidentifikované mořské mikroorganismy.[19] DNA vazebný kód a struktura opakovaného pole jsou mezi těmito skupinami zachovány, souhrnně označovány jako TALE-má rád.

Vedeno RNA

The CRISPR / Cas systém Streptococcus pyogenes lze naprogramovat na přímou aktivaci[20] a represe na přirozené a umělé eukaryotické promotory prostřednictvím jednoduchého inženýrství naváděcích RNA s komplementaritou párování bází s cílovými místy DNA.[21] Cas9 lze použít jako přizpůsobitelnou platformu vázání DNA vedenou RNA. Doména Cas9 může být funkcionalizována požadovanými regulačními doménami (např. Aktivací, represí nebo epigenetickým efektorem) nebo endonukleázovou doménou jako univerzální nástroj pro biologii genomového inženýrství.[22][23] a poté být zaměřeny na více lokusů pomocí různých vodicích RNA.

Viz také

Reference

  1. ^ Lilley DM (1995). DNA-protein: strukturní interakce. Oxford: IRL Press na Oxford University Press. ISBN  0-19-963453-X.
  2. ^ Swint-Kruse L, Matthews KS (duben 2009). „Allostery v rodině LacI / GalR: variace na téma“. Současný názor v mikrobiologii. 12 (2): 129–37. doi:10.1016 / j.mib.2009.01.009. PMC  2688824. PMID  19269243.
  3. ^ "zkontrolováno: ano AND organismus:" Homo sapiens (člověk) [9606] "AND proteom: up000005640 v UniProtKB". www.uniprot.org. Citováno 2017-10-25.
  4. ^ A b Malhotra S, Sowdhamini R (srpen 2013). "Průzkum genomu proteinů vázajících DNA v Arabidopsis thaliana: analýza distribuce a funkcí". Výzkum nukleových kyselin. 41 (15): 7212–9. doi:10.1093 / nar / gkt505. PMC  3753632. PMID  23775796.
  5. ^ Malgieri G, Palmieri M, Russo L, Fattorusso R, Pedone PV, Isernia C (prosinec 2015). „Prokaryotický zinkový prst: struktura, funkce a srovnání s eukaryotickým protějškem“. FEBS Journal. 282 (23): 4480–96. doi:10.1111 / febs.13503. PMID  26365095.
  6. ^ Pabo CO, Peisach E, Grant RA (2001). "Návrh a výběr nových proteinů Cys2His2 se zinkovým prstem". Roční přehled biochemie. 70: 313–40. doi:10,1146 / annurev.biochem.70.1.313. PMID  11395410.
  7. ^ Murugesapillai D, et al. (2014). „Přemostění a smyčka DNA pomocí HMO1 poskytuje mechanismus pro stabilizaci chromatinu bez nukleosomů“. Nucleic Acids Res. 42 (14): 8996–9004. doi:10.1093 / nar / gku635. PMC  4132745. PMID  25063301.
  8. ^ Murugesapillai D, McCauley MJ, Maher LJ 3., Williams MC (2017). „Jednomolekulární studie architektonických proteinů ohýbajících DNA skupiny B s vysokou mobilitou“. Biophys Rev. 9 (1): 17–40. doi:10.1007 / s12551-016-0236-4. PMC  5331113. PMID  28303166.
  9. ^ Lohse MB, Hernday AD, Fordyce PM, Noiman L, Sorrells TR, Hanson-Smith V, Nobile CJ, DeRisi JL, Johnson AD (květen 2013). "Identifikace a charakterizace dříve nepopsané rodiny sekvenčně specifických domén vázajících DNA". Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 110 (19): 7660–5. Bibcode:2013PNAS..110.7660L. doi:10.1073 / pnas.1221734110. PMC  3651432. PMID  23610392.
  10. ^ A b Flynn RL, Zou L (srpen 2010). „Oligonukleotidové / oligosacharidové vazebné skládací proteiny: rostoucí rodina strážců genomu“. Kritické recenze v biochemii a molekulární biologii. 45 (4): 266–75. doi:10.3109/10409238.2010.488216. PMC  2906097. PMID  20515430.
  11. ^ Theobald DL, Mitton-Fry RM, Wuttke DS (2003). „Rozpoznávání nukleové kyseliny OB-násobnými proteiny“. Roční přehled biofyziky a biomolekulární struktury. 32: 115–33. doi:10.1146 / annurev.biophys.32.110601.142506. PMC  1564333. PMID  12598368.
  12. ^ Boch J, Bonas U (2010). "Efekty řady Xanthomonas AvrBs3 typu III: objev a funkce". Roční přehled fytopatologie. 48: 419–36. doi:10.1146 / annurev-phyto-080508-081936. PMID  19400638.
  13. ^ Moscou MJ, Bogdanove AJ (prosinec 2009). "Jednoduchá šifra řídí rozpoznávání DNA pomocí TAL efektorů". Věda. 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 (prosinec 2009). "Porušení kódu vazebné specificity DNA efektorů TAL typu III". Věda. 326 (5959): 1509–12. Bibcode:2009Sci ... 326.1509B. doi:10.1126 / science.1178811. PMID  19933107. S2CID  206522347.
  15. ^ Mak AN, Bradley P, Cernadas RA, Bogdanove AJ, Stoddard BL (únor 2012). „Krystalová struktura efektoru TAL PthXo1 navázaného na cíl DNA“. Věda. 335 (6069): 716–9. Bibcode:2012Sci ... 335..716M. doi:10.1126 / science.1216211. PMC  3427646. PMID  22223736.
  16. ^ Cuculis L, Abil Z, Zhao H, Schroeder CM (červen 2015). „Přímé pozorování dynamiky proteinů TALE odhaluje dvoustavový vyhledávací mechanismus“. Příroda komunikace. 6: 7277. Bibcode:2015NatCo ... 6.7277C. doi:10.1038 / ncomms8277. PMC  4458887. PMID  26027871.
  17. ^ de Lange O, Schreiber T, Schandry N, Radeck J, Braun KH, Koszinowski J, Heuer H, Strauß A, Lahaye T (srpen 2013). „Porušení kódu DNA vázajícího efektory TAL Ralstonia solanacearum poskytuje nové možnosti pro generování genů rezistence rostlin proti bakteriálním vadnutím“. Nový fytolog. 199 (3): 773–86. doi: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 (leden 2014). „BurrH: nový modulární protein vázající DNA pro genomové inženýrství“. Vědecké zprávy. 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 (listopad 2015). „Proteiny vázající DNA z mořských bakterií rozšiřují známou rozmanitost sekvencí opakování podobných TALE“. Výzkum nukleových kyselin. 43 (20): 10065–80. doi:10.1093 / nar / gkv1053. PMC  4787788. PMID  26481363.
  20. ^ Perez-Pinera P, Kocak DD, Vockley CM, Adler AF, Kabadi AM, Polstein LR, Thakore PI, Glass KA, Ousterout DG, Leong KW, Guilak F, Crawford GE, Reddy TE, Gersbach CA (říjen 2013). „Aktivace genu řízeného RNA transkripčními faktory založenými na CRISPR-Cas9“. Přírodní metody. 10 (10): 973–6. doi:10.1038 / nmeth.2600. PMC  3911785. PMID  23892895.
  21. ^ Farzadfard F, Perli SD, Lu TK (říjen 2013). „Laditelné a multifunkční eukaryotické transkripční faktory založené na CRISPR / Cas“. ACS Syntetická biologie. 2 (10): 604–13. doi:10.1021 / sb400081r. PMC  3805333. PMID  23977949.
  22. ^ Cho SW, Kim S, Kim JM, Kim JS (březen 2013). „Cílené genomové inženýrství v lidských buňkách s endonukleázou naváděnou Cas9 RNA“. Přírodní biotechnologie. 31 (3): 230–2. doi:10,1038 / nbt.2507. PMID  23360966. S2CID  10165663.
  23. ^ Mali P, Esvelt KM, Church GM (říjen 2013). „Cas9 jako všestranný nástroj pro inženýrskou biologii“. Přírodní metody. 10 (10): 957–63. doi:10.1038 / nmeth.2649. PMC  4051438. PMID  24076990.

externí odkazy