Protein vázající DNA - DNA-binding protein




Proteiny vázající DNA jsou bílkoviny které mají Domény vázající DNA a tak mají specifickou nebo obecnou afinitu k jednořetězcová nebo dvouřetězcová DNA.[3][4][5] Sekvenčně specifické proteiny vázající DNA obecně interagují s hlavní drážka z B-DNA, protože odhaluje více funkční skupiny které identifikují a základní pár. Existují však některé známé malá drážka Ligandy vázající DNA, jako je např netropsin,[6] distamycin, Hoechst 33258, pentamidin, DAPI a další.[7]
Příklady
Vazba na DNA bílkoviny zahrnout transkripční faktory který modulovat proces transkripce, různé polymerázy, nukleázy které štěpí molekuly DNA a histony které jsou zapojeny do chromozóm balení a přepis v buněčné jádro. Proteiny vázající DNA mohou obsahovat takové domény jako zinkový prst, helix-turn-helix a leucinový zip (mimo jiné), které usnadňují vazbu na nukleovou kyselinu. Existuje také více neobvyklých příkladů, jako je transkripční aktivátor jako efektory.
Nespecifické interakce DNA-protein
Strukturní proteiny, které vážou DNA, jsou dobře známými příklady nespecifických interakcí DNA-protein. V chromozomech je DNA držena v komplexech se strukturálními proteiny. Tyto proteiny organizují DNA do kompaktní struktury zvané chromatin. v eukaryoty, tato struktura zahrnuje vazbu DNA na komplex malých bazických proteinů zvaných histony. v prokaryoty je zapojeno více typů proteinů.[8][9] Histony tvoří diskovitý komplex zvaný a nukleosom, který obsahuje dva úplné závity dvouvláknové DNA omotané kolem jeho povrchu. Tyto nespecifické interakce jsou tvořeny bazickými zbytky při výrobě histonů iontové vazby na kyselý cukr-fosfátový páteř DNA, a jsou proto do značné míry nezávislé na sekvenci bází.[10] Chemikálie modifikace těchto základních aminokyselina zbytky zahrnují methylace, fosforylace a acetylace.[11] Tyto chemické změny mění sílu interakce mezi DNA a histony, čímž činí DNA více či méně přístupnou transkripční faktory a změna rychlosti transkripce.[12] Mezi další nespecifické proteiny vázající DNA v chromatinu patří proteiny skupiny s vysokou mobilitou (HMG), které se vážou na ohnutou nebo zkreslenou DNA.[13] Biofyzikální studie ukazují, že tyto architektonické proteiny HMG se vážou, ohýbají a smyčkovávají DNA, aby plnily své biologické funkce.[14][15] Tyto proteiny jsou důležité při ohýbání polí nukleosomů a jejich uspořádání do větších struktur, které tvoří chromozomy.[16]
Proteiny, které se specificky vážou na jednořetězcovou DNA
Zřetelnou skupinou proteinů vázajících DNA jsou proteiny vázající DNA, které se specificky vážou na jednořetězcovou DNA. U lidí replikační protein A je nejrozumnějším členem této rodiny a používá se v procesech, kde se odděluje dvojitá šroubovice, včetně replikace DNA, rekombinace a opravy DNA.[17] Zdá se, že tyto vazebné proteiny stabilizují jednovláknovou DNA a chrání ji před tvorbou kmenové smyčky nebo být degradován nukleázy.
Vazba na specifické sekvence DNA
Naproti tomu se vyvinuly další proteiny, které se vážou na specifické sekvence DNA. Nejintenzivněji studované z nich jsou různé transkripční faktory, což jsou proteiny, které regulují transkripci. Každý transkripční faktor se váže na jednu specifickou sadu sekvencí DNA a aktivuje nebo inhibuje transkripci genů, které mají tyto sekvence v blízkosti svých promotorů. Transkripční faktory to dělají dvěma způsoby. Za prvé, mohou vázat RNA polymerázu odpovědnou za transkripci, a to buď přímo, nebo prostřednictvím jiných mediátorových proteinů; to lokalizuje polymerázu na promotoru a umožní jí zahájit transkripci.[18] Alternativně se mohou vázat transkripční faktory enzymy které modifikují histony na promotoru. Tím se mění přístupnost templátu DNA k polymeráze.[19]
Tyto cíle DNA se mohou vyskytovat v genomu organismu. Změny v aktivitě jednoho typu transkripčního faktoru tedy mohou ovlivnit tisíce genů.[20] Tyto proteiny jsou tedy často terčem signální transdukce procesy, které řídí reakce na změny prostředí nebo buněčná diferenciace a rozvoj. Specifičnost interakcí těchto transkripčních faktorů s DNA pochází z proteinů vytvářejících více kontaktů s okraji DNA bází, což jim umožňuje číst sekvence DNA. Většina z těchto interakcí bází se provádí v hlavní drážce, kde jsou základny nejvíce přístupné.[21] Matematické popisy vazby protein-DNA s ohledem na sekvenční specificitu a kompetitivní a kooperativní vazba proteinů různých typů se obvykle provádějí pomocí příhradové modely.[22] Byly navrženy výpočetní metody k identifikaci specificity DNA vazebné sekvence, aby se dobře využily hojné údaje o sekvencích v postgenomické éře.[23]
Interakce protein-DNA
Interakce protein-DNA nastávají, když a protein váže molekulu DNA, často regulovat biologická funkce DNA, obvykle výraz a gen. Mezi bílkovinami, které se vážou na DNA, jsou transkripční faktory které aktivují nebo potlačují genovou expresi vazbou na DNA motivy a histony které tvoří součást struktury DNA a váží se na ni méně specificky. Také bílkoviny opravit DNA jako uracil-DNA glykosyláza úzce s ním komunikovat.
Obecně se bílkoviny váží na DNA v hlavní drážka; existují však výjimky.[24] Interakce protein-DNA jsou převážně dvou typů, buďto specifické interakce, nebo nespecifické interakce. Nedávné experimenty s jednou molekulou ukázaly, že proteiny vázající DNA podléhají rychlému opětovnému navázání, aby se navázaly ve správné orientaci pro rozpoznání cílového místa.[25]
Design
Navrhování proteinů vázajících DNA, které mají specifikované místo vázající DNA, bylo důležitým cílem biotechnologie. Zinkový prst proteiny byly navrženy tak, aby se vážily na specifické sekvence DNA, a to je základem nukleázy zinkového prstu. Nedávno transkripční aktivátorové efektorové nukleázy Byly vytvořeny (TALEN) založené na přírodních bílkoviny vylučuje Xanthomonas bakterie prostřednictvím jejich sekreční systém typu III když infikují různé rostlina druh.[26]
Detekční metody
Je jich mnoho in vitro a in vivo techniky, které jsou užitečné při detekci interakcí DNA-protein. Následuje seznam některých aktuálně používaných metod:[27] Test posunu elektroforetické mobility (EMSA) je rozšířená kvalitativní technika pro studium interakcí protein-DNA známých proteinů vázajících DNA.[28][29] Interakce DNA-protein - enzymově vázaný imunoSorbant Assay (DPI-ELISA) umožňuje kvalitativní a kvantitativní analýzu preferencí vazby DNA známých proteinů in vitro.[30][31] Tato technika umožňuje analýzu proteinových komplexů, které se vážou na DNA (DPI-Recruitment-ELISA) nebo je vhodná pro automatický screening několika nukleotidových sond díky svému standardnímu formátovému testu ELISA[32] [33].DNase footprinting test lze použít k identifikaci specifických míst vazby proteinu na DNA při rozlišení základního páru.[34] Chromatinová imunoprecipitace se používá k identifikaci in vivo Cílové oblasti DNA známého transkripčního faktoru. Tato technika v kombinaci s vysoce výkonným sekvenováním je známá jako ChIP-sekv a v kombinaci s mikročipy to je známé jako Čip ChIP. Kvasinkový jednohybridní systém (Y1H) se používá k identifikaci, který protein se váže na konkrétní fragment DNA. Bakteriální jednohybridní systém (B1H) se používá k identifikaci, který protein se váže na konkrétní fragment DNA. Stanovení struktury pomocí Rentgenová krystalografie byl použit k získání velmi podrobného atomového pohledu na interakce protein-DNA. Kromě těchto metod se v systému používají i další techniky, jako jsou SELEX, PBM (mikropole vázající se na bílkoviny), obrazovky DNA microarray, DamID, FAIRE nebo nověji DAP-seq laboratoř pro zkoumání interakce DNA-protein in vivo a in vitro.
Manipulace s interakcemi
Interakce protein-DNA lze modulovat pomocí stimulů, jako je iontová síla pufru, makromolekulární shlukování,[35] teplota, pH a elektrické pole. To může vést k reverzibilní disociaci / asociaci komplexu protein-DNA.[36][37]
Viz také
- doména bZIP
- ChIP-exo
- Porovnání simulačního softwaru nukleových kyselin
- Doména vázající DNA
- Helix-loop-helix
- Helix-turn-helix
- HMG box
- Leucinový zip
- Lexitropsin (polosyntetický ligand vázající DNA)
- Deoxyribonukleoprotein
- Software pro predikci stránek s interakcí protein-DNA
- Protein vázající RNA
- Jednovláknový vazebný protein
- Zinkový prst
Reference
- ^ Vytvořeno z PDB 1LMB
- ^ Vytvořeno z PDB 1RVA
- ^ Travers, A. A. (1993). Interakce DNA-protein. Londýn: Springer. ISBN 978-0-412-25990-6.
- ^ Pabo CO, Sauer RT (1984). "Rozpoznávání proteinů-DNA". Annu. Biochem. 53 (1): 293–321. doi:10.1146 / annurev.bi.53.070184.001453. PMID 6236744.
- ^ Dickerson R.E. (1983). "Spirála DNA a způsob jejího čtení". Sci Am. 249 (6): 94–111. Bibcode:1983SciAm.249f..94D. doi:10.1038 / scientificamerican1283-94.
- ^ Zimmer C, Wähnert U (1986). „Neinterkalační ligandy vázající DNA: specifičnost interakce a jejich použití jako nástrojů v biofyzikálních, biochemických a biologických výzkumech genetického materiálu“. Prog. Biophys. Mol. Biol. 47 (1): 31–112. doi:10.1016/0079-6107(86)90005-2. PMID 2422697.
- ^ Dervan PB (duben 1986). "Návrh sekvenčně specifických molekul vázajících DNA". Věda. 232 (4749): 464–71. Bibcode:1986Sci ... 232..464D. doi:10.1126 / science.2421408. PMID 2421408.
- ^ Sandman K, Pereira S, Reeve J (1998). "Rozmanitost prokaryotických chromozomálních proteinů a původ nukleosomu". Cell Mol Life Sci. 54 (12): 1350–64. doi:10,1007 / s000180050259. PMID 9893710. S2CID 21101836.
- ^ Dame RT (2005). "Úloha proteinů asociovaných s nukleoidy v organizaci a zhutňování bakteriálního chromatinu". Mol. Microbiol. 56 (4): 858–70. doi:10.1111 / j.1365-2958.2005.04598.x. PMID 15853876.
- ^ Luger K, Mäder A, Richmond R, Sargent D, Richmond T (1997). "Krystalová struktura částice jádra nukleosomu v rozlišení 2,8 A". Příroda. 389 (6648): 251–60. Bibcode:1997 Natur.389..251L. doi:10.1038/38444. PMID 9305837. S2CID 4328827.
- ^ Jenuwein T, Allis C (2001). "Překlad histonového kódu". Věda. 293 (5532): 1074–80. CiteSeerX 10.1.1.453.900. doi:10.1126 / science.1063127. PMID 11498575. S2CID 1883924.
- ^ Ito T (2003). "Nucleosome Assembly and Remodeling". Sestavování a přestavování nukleosomů. Curr Top Microbiol Immunol. Aktuální témata v mikrobiologii a imunologii. 274. s. 1–22. doi:10.1007/978-3-642-55747-7_1. ISBN 978-3-642-62909-9. PMID 12596902.
- ^ Thomas J (2001). „HMG1 a 2: architektonické proteiny vázající DNA“. Biochem Soc Trans. 29 (Pt 4): 395–401. doi:10.1042 / BST0290395. PMID 11497996.
- ^ Murugesapillai, Divakaran; McCauley, Micah J .; Huo, Ran; Nelson Holte, Molly H .; Stepanyants, Armen; Maher, L. James; Israeloff, Nathan E .; Williams, Mark C. (2014). „Přemostění a smyčka DNA pomocí HMO1 poskytuje mechanismus pro stabilizaci chromatinu bez nukleosomů“. Výzkum nukleových kyselin. 42 (14): 8996–9004. doi:10.1093 / nar / gku635. PMC 4132745. PMID 25063301.
- ^ Murugesapillai, Divakaran; McCauley, Micah J .; Maher, L. James; Williams, Mark C. (2017). „Jednomolekulární studie architektonických proteinů ohýbajících DNA skupiny B s vysokou mobilitou“. Biofyzikální recenze. 9 (1): 17–40. doi:10.1007 / s12551-016-0236-4. PMC 5331113. PMID 28303166.
- ^ Grosschedl R, Giese K, Pagel J (1994). "HMG doménové proteiny: architektonické prvky při sestavování nukleoproteinových struktur". Trendy Genet. 10 (3): 94–100. doi:10.1016/0168-9525(94)90232-1. PMID 8178371.
- ^ Iftode C, Daniely Y, Borowiec J (1999). „Replikační protein A (RPA): eukaryotický SSB“. Crit Rev Biochem Mol Biol. 34 (3): 141–80. doi:10.1080/10409239991209255. PMID 10473346.
- ^ Myers L, Kornberg R (2000). "Zprostředkovatel transkripční regulace". Annu Rev Biochem. 69 (1): 729–49. doi:10,1146 / annurev.biochem. 69.1.729. PMID 10966474.
- ^ Spiegelman B, Heinrich R (2004). "Biologická kontrola prostřednictvím regulovaných transkripčních koaktivátorů". Buňka. 119 (2): 157–67. doi:10.1016 / j.cell.2004.09.037. PMID 15479634. S2CID 14668705.
- ^ Li Z, Van Calcar S, Qu C, Cavenee W, Zhang M, Ren B (2003). „Globální transkripční regulační role c-Myc v buňkách Burkittova lymfomu“. Proc Natl Acad Sci USA. 100 (14): 8164–9. Bibcode:2003PNAS..100.8164L. doi:10.1073 / pnas.1332764100. PMC 166200. PMID 12808131.
- ^ Pabo C, Sauer R (1984). "Rozpoznávání proteinů-DNA". Annu Rev Biochem. 53 (1): 293–321. doi:10.1146 / annurev.bi.53.070184.001453. PMID 6236744.
- ^ Teif V.B .; Rippe K. (2010). "Statisticko-mechanické mřížkové modely pro vazbu protein-DNA v chromatinu". Journal of Physics: Condensed Matter. 22 (41): 414105. arXiv:1004.5514. Bibcode:2010JPCM ... 22O4105T. doi:10.1088/0953-8984/22/41/414105. PMID 21386588. S2CID 103345.
- ^ Wong KC, Chan TM, Peng C, Li Y, Zhang Z (2013). „Elucidace motivu DNA pomocí šíření víry“. Výzkum nukleových kyselin. 41 (16): e153. doi:10.1093 / nar / gkt574. PMC 3763557. PMID 23814189.
- ^ Bewley CA, Gronenborn AM, Clore GM (1998). „Drobné architektonické proteiny vázající drážku: struktura, funkce a rozpoznávání DNA“. Annu Rev Biophys Biomol Struct. 27: 105–31. doi:10.1146 / annurev.biophys.27.1.105. PMC 4781445. PMID 9646864.
- ^ Ganji, Mahipal; Docter, Margreet; Le Grice, Stuart F. J .; Abbondanzieri, Elio A. (2016-09-30). „Proteiny vázající DNA prozkoumávají během dokování více lokálních konfigurací rychlým opětovným navázáním“. Výzkum nukleových kyselin. 44 (17): 8376–8384. doi:10.1093 / nar / gkw666. ISSN 0305-1048. PMC 5041478. PMID 27471033.
- ^ Clark KJ, Voytas DF, Ekker SC (září 2011). „PŘÍBĚH dvou nukleáz: genové cílení pro masy?“. Zebrafish. 8 (3): 147–9. doi:10.1089 / zeb.2011.9993. PMC 3174730. PMID 21929364.
- ^ Cai YH, Huang H (červenec 2012). „Pokroky ve studiu interakce protein-DNA“. Aminokyseliny. 43 (3): 1141–6. doi:10.1007 / s00726-012-1377-9. PMID 22842750. S2CID 310256.
- ^ Fried M, Crothers DM (1981). "Rovnováhy a kinetika interakcí lac represor-operátor polyakrylamidovou gelovou elektroforézou". Nucleic Acids Res. 9 (23). doi:10.1093 / nar / 9.23.6505. PMID 6275366.
- ^ Garner MM, Revzin A (1981). „Metoda gelové elektroforézy pro kvantifikaci vazby proteinů na specifické oblasti DNA: aplikace na složky regulačního systému laktonového operonu Escherichia coli“. Nucleic Acids Res. 9 (13). doi:10.1093 / nar / 9.13.3047. PMID 6269071.
- ^ Značka LH, Kirchler T, Hummel S, Chaban C, Wanke D (2010). „DPI-ELISA: rychlá a všestranná metoda pro stanovení vazby rostlinných transkripčních faktorů na DNA in vitro“. Rostlinné metody. 25 (6). doi:10.1186/1746-4811-6-25. PMID 21108821.
- ^ Fischer SM, Böser A, Hirsch JP, Wanke D (2016). "Kvantitativní analýza interakce protein-DNA metodou qDPI-ELISA". Methods Mol Biol. (1482): 49–66. doi:10.1007/978-1-4939-6396-6_4. PMID 27557760.
- ^ Hecker A, Brand LH, Peter S, Simoncello N, Kilian J, Harter K, Gaudin V, Wanke D (2015). „Arabidopsis GAGA-Binding Factor BASIC PENTACYSTEINE6 rekrutuje POLYCOMB-REPRESSIVE COMPLEX1 komponentu, jako je HETEROCHROMATIN PROTEIN1 k DNA motivům GAGA“. Plant Physiol. 163 (3): 1013–1024. doi:10.1104 / str. 15,00409. PMID 26025051.
- ^ Značka LH, Henneges C, Schüssler A, Kolukisaoglu HÜ, Koch G, Wallmeroth N, Hecker A, Thurow K, Zell A, Harter K, Wanke D (2013). „Screening pro interakce protein-DNA automatizovanou interakcí DNA-protein ELISA“. PLoS One. 8 (10). doi:10.1371 / journal.pone.0075177. PMID 24146751.
- ^ Galas DJ, Schmitz A (1978). „Stopa DNAse: jednoduchá metoda pro detekci vazebné specificity protein-DNA“. Nucleic Acids Res. 5 (9): 3157–3170. doi:10.1093 / nar / 5.9.3157. PMID 212715.
- ^ Ganji, Mahipal; Docter, Margreet; Grice, Stuart F.J. Le; Abbondanzieri, Elio A. (2016-09-30). „Proteiny vázající DNA prozkoumávají během dokování více lokálních konfigurací rychlým opětovným navázáním“. Výzkum nukleových kyselin. 44 (17): 8376–8384. doi:10.1093 / nar / gkw666. ISSN 0305-1048. PMC 5041478. PMID 27471033.
- ^ Hianik T, Wang J (2009). „Electrochemical Aptasensors - recent Achievements and Perspectives“. Elektroanalýza. 21 (11): 1223–1235. doi:10.1002 / elan.200904566.
- ^ Gosai A a kol. (2016). „Elektrické stimulace řízené vazby / vazby komplexu lidského trombinu a aptameru“. Sci. Rep. 6: 37449. Bibcode:2016NatSR ... 637449G. doi:10.1038 / srep37449. PMC 5118750. PMID 27874042.
externí odkazy
- Vazba protein-DNA: data, nástroje a modely (anotovaný seznam, neustále aktualizovaný)
- Ušeň nástroj pro modelování interakcí DNA-ligand.
- Databáze DBD predikovaných transkripčních faktorů Používá upravenou sadu domén vázajících DNA k předpovědi transkripčních faktorů ve všech kompletně sekvenovaných genomech
- Vazba na DNA + proteiny v americké národní lékařské knihovně Lékařské předměty (Pletivo)