ДНК-связывающий домен

ДНК-связывающий домен (англ: DNA-binding domain (DBD) ) — это независимо свернутый белковый домен, содержащий по крайней мере один структурный мотив, который распознает двух- или одноцепочечную 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 свернутой структуре.

Функции

Один или несколько ДНК-связывающих доменов часто являются частью более крупного белка, состоящего из дополнительных доменов белка с отличающейся функцией. Дополнительные домены часто регулируют активность домена связывания ДНК. Функция связывания ДНК является либо структурной, либо включает регуляцию транскрипции, причем эти две роли иногда перекрываются.

ДНК-связывающие домены с функциями, связанными со структурой ДНК, играют биологическую роль в репликации, восстановлении, хранении и модификации ДНК, например, в метилировании [2]

Многие белки, участвующие в регуляции экспрессии генов, содержат ДНК-связывающие домены. Например, белки, называемые факторами транскрипции, которые регулируют транскрипцию путем связывания ДНК, Конечным результатом большинства клеточных сигнальных каскадов является регуляция генов. [3]

DBD взаимодействует с нуклеотидами ДНК в ДНК-специфической или неспецифической последовательности, но даже распознавание неспецифической последовательности включает в себя своего рода молекулярную комплементарность между белком и ДНК. Распознавание ДНК DBD может происходить в большой или малой бороздке ДНК или в сахарофосфатном остове ДНК (см. структуру ДНК ). Каждый конкретный тип распознавания ДНК приспособлен к функции белка. Н

Многие ДНК-связывающие домены должны распознавать определенные последовательности ДНК, такие как DBD факторов транскрипции , которые активируют определенные гены, или те из ферментов, которые модифицируют ДНК в определенных местах, таких как рестриктазы и теломераза . Схема водородных связей в большой бороздке ДНК менее вырожденная, чем в малой бороздке ДНК, что обеспечивает более привлекательный участок для распознавания ДНК, специфичной для последовательности. [4]

Специфичность ДНК-связывающих белков можно изучать с помощью многих биохимических и биофизических методов, таких как электрофорез в полиакриламидном геле, аналитическое ультрацентрифугирование, калориметрия, ядерный магнитный резонанс, рентгеновская кристаллография, поверхностный плазмонный резонанс, электронный парамагнитный резонанс, и микромасштабный термофорез.

Типы

Спираль-поворот-спираль

Основная статья: Мотив «спираль-поворот-спираль»

Первоначально обнаруженный в бактериях, мотив спираль-поворот-спираль обычно встречается в белках-репрессорах и имеет длину около 20 аминокислот. У эукариот гомеодомен состоит из 2 спиралей, одна из которых распознает ДНК (также известная как спираль распознавания). Они распространены в белках, которые регулируют процессы развития.[5]

Спираль-шпилька-спираль

Основная статья: Спираль-шпилька-спираль

Спираль-шпилька-спираль встречается в белках, которые взаимодействуют с ДНК неспецифическим для последовательности образом.[6] Она состоит из двух антипараллельных альфа-спиралей, соединенных короткой шпильковой петлей. Две альфа-спирали упакованы под острым углом ~25–50°, что диктует характерный рисунок гидрофобности в последовательностях, в то время как другие структуры связывания ДНК, такие как мотив спираль-поворот-спираль, который также образован парой спиралей, можно легко отличить по упаковке спиралей под почти прямым углом.[7]

Цинковый палец

Основная статья: Цинковый палец

Домен цинкового пальца в основном встречается у эукариот, но некоторые примеры были обнаружены у бактерий.  Домен цинкового пальца обычно имеет длину от 23 до 28 аминокислот и стабилизируется путем координации ионов цинка с регулярно расположенными остатками, координирующими цинк (гистидинами или цистеинами). Наиболее распространенный класс цинкового пальца (Cys2His2) координирует один ион цинка и состоит из спирали распознавания и 2-цепочечного бета-слоя.[8] В факторах транскрипции эти домены часто встречаются в массивах (обычно разделенных короткими линкерными последовательностями), а соседние пальцы расположены с интервалом в 3 пары оснований при связывании с ДНК.

Лейциновая молния

Основная статья: Лейциновая застёжка-молния

Домен основной лейциновой молнии (bZIP) встречается в основном у эукариот и в ограниченной степени у бактерий. Домен bZIP содержит альфа-спираль с лейцином на каждой 7-й аминокислоте. Если две такие спирали находят друг друга, лейцины могут взаимодействовать как зубцы в молнии, что позволяет димеризовать два белка. При связывании с ДНК остатки основных аминокислот связываются с сахарофосфатным остовом, в то время как спирали располагаются в основных бороздках. Он регулирует экспрессию генов.

Крылатая спираль

Домен крылатой спирали (WH) , состоящий примерно из 110 аминокислот, имеет четыре спирали и двухцепочечный бета-слой.

Крылатая спираль-поворот-спираль

Домен крылатой спирали-поворота-спирали (wHTH) обычно имеет длину 85-90 аминокислот. Он образован 3-спиральным пучком и 4-тяжевым бета-слоем (крылом).

Спираль-петля-спираль

Основной домен спираль-петля-спираль (bHLH) встречается в некоторых факторах транскрипции и характеризуется двумя альфа-спиралями (α-спиралями), соединенными петлей. Одна спираль обычно меньше и из-за гибкости петли допускает димеризацию путем складывания и упаковки против другой спирали. Большая спираль обычно содержит области связывания ДНК.

HMG-box

Домены HMG-box обнаружены в белках группы высокой подвижности, которые участвуют в различных ДНК-зависимых процессах, таких как репликация и транскрипция. Они также изменяют гибкость ДНК, вызывая изгибы.  Домен состоит из трех альфа-спиралей, разделенных петлями.[9][10]

Домен Wor3

Домены Wor3, названные в честь непрозрачного регулятора 3 (Wor3) у Candida albicans, возникли в ходе эволюции позже, чем большинство ранее описанных доменов связывания ДНК, и ограничены небольшим числом грибов.[11]

домен OB -fold

OB -fold — это небольшой структурный мотив, первоначально названный так из-за его свойств связывания олигонуклеотида/олигосахарида. Домены OB-fold имеют длину от 70 до 150 аминокислот.[12] OB-fold связывают одноцепочечную ДНК и, следовательно, являются одноцепочечными связывающими белками.[12] Было установлено, что белки OB-fold имеют решающее значение для репликации ДНК, рекомбинации ДНК, репарации ДНК, транскрипции, трансляции, реакции на холодовой шок и поддержания теломер.[13]

Примечания

1. Lilley, David M. J. DNA-protein: structural interactions. — Oxford : IRL Press at Oxford University Press, 1995. — ISBN 0-19-963453-X.
2. K. -Y. Jen, A. Travers. DNA-Binding Proteins // Brenner's Encyclopedia of Genetics (Second Edition) / Stanley Maloy, Kelly Hughes. — San Diego: Academic Press, 2013-01-01. — С. 345–347. — ISBN 978-0-08-096156-9.
3. Latchman D.S. Transcription factors: an overview (англ.) // Int. J. Biochem. Cell Biol.^[англ.] : journal. — 1997. — Vol. 29, no. 12. — P. 1305—1312. — doi:10.1016/S1357-2725(97)00085-X. — PMID 9570129.
4. Maoxuan Lin, Jun-tao Guo. New insights into protein–DNA binding specificity from hydrogen bond based comparative study // Nucleic Acids Research. — 2019-12-02. — Т. 47, вып. 21. — С. 11103–11113. — ISSN 0305-1048. — doi:10.1093/nar/gkz963.
5. HTH search at PROSITE  (неопр.). Expasy. Дата обращения: 17 июня 2024.
6. Doherty, AJ; Serpell, LC; Ponting, CP (1996-07-01). The helix-hairpin-helix DNA-binding motif: a structural basis for non-sequence-specific recognition of DNA. Nucleic Acids Research. 24 (13): 2488–97. doi:10.1093/nar/24.13.2488. PMC 145986. PMID 8692686.
7. Shao, X.; Grishin, N. V. (2000). Common fold in helix-hairpin-helix proteins. Nucleic Acids Research. 28 (14): 2643–2650. doi:10.1093/nar/28.14.2643. PMC 102670. PMID 10908318.
8. Pabo CO, Peisach E, Grant RA (2001). Design and selection of novel Cys2His2 zinc finger proteins. Annual Review of Biochemistry. 70: 313–40. doi:10.1146/annurev.biochem.70.1.313. PMID 11395410.
9. Murugesapillai D, et al. (2014). DNA bridging and looping by HMO1 provides a mechanism for stabilizing nucleosome-free chromatin. Nucleic Acids Res. 42 (14): 8996–9004. doi:10.1093/nar/gku635. PMC 4132745. PMID 25063301.
10. Murugesapillai D, McCauley MJ, Maher LJ 3rd, Williams MC (2017). Single-molecule studies of high-mobility group B architectural DNA bending proteins. Biophys Rev. 9 (1): 17–40. doi:10.1007/s12551-016-0236-4. PMC 5331113. PMID 28303166.
11. Lohse MB, Hernday AD, Fordyce PM, Noiman L, Sorrells TR, Hanson-Smith V, Nobile CJ, DeRisi JL, Johnson AD (May 2013). Identification and characterization of a previously undescribed family of sequence-specific DNA-binding domains. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (19): 7660–5. Bibcode:2013PNAS..110.7660L. doi:10.1073/pnas.1221734110. PMC 3651432. PMID 23610392.
12. Flynn RL, Zou L (August 2010). Oligonucleotide/oligosaccharide-binding fold proteins: a growing family of genome guardians. Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology. 45 (4): 266–75. doi:10.3109/10409238.2010.488216. PMC 2906097. PMID 20515430.
13. Theobald DL, Mitton-Fry RM, Wuttke DS (2003). Nucleic acid recognition by OB-fold proteins. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure. 32: 115–33. doi:10.1146/annurev.biophys.32.110601.142506. PMC 1564333. PMID 12598368.