Гелікс-поворот-гелікс

Цей ДНК-зв’язуючий мотив є визначальним для взаємодії багатьох прокаріотичних регуляторних протеїнів із ДНК, і подібні мотиви трапляються в деяких регуляторних протеїнах еукаріот. Мотив гелікс-поворот-гелікс складається із близько 20 амінокислот в двоїх коротких α-геліксних сегментах, довжиною від семи до дев’яти залишків розділених β-поворотом (Рис.28-11). Сама по собі така структура не є стабільною, а є лише частиною місця зв’язування дещо більшого ДНК-зв’язуючого домена. Один із двох сегменітв α-геліксу називається розпізнаючим геліксом, тому що він містить багато аміно кислот, які специфічно взаємодіють із ДНК. Цей α-гелікс прикріплений до інших сегментів протеїнутаким чином, що він виступає над його поверхнею. Після зв’язування із ДНК розпізнавальний гелікс розташовується в/або поблизу великої виямки ДНК. Подібний ДНК-зв’язуючий мотив має і Lac репресор (Рис.28-11).

Рисунок 28-11

Гелікс-поворот-гелікс

(а) ДНК-зв’язуючий домен Lac репресора (PDB ID 1LCC). Мотив гелікс-поворот-гелікс показано червоним і оранжевим кольорами; розпізнавальний гелікс позначено червоним. (б) Цілий Lac репресор (PDB ID 1LGB). ДНК –зв’язуючий домен позначено сірим кольором, а α-гелікс тетрамеризації показано червоним. Залишок протеїна (затінено зеленим) має місце зв’язування для алолактози. Домен зв’язування алолактози приєднаний до ДНК-зв’язуючого домену через зв’язуючі гелікси (жовтий колір). (в) Допоміжна поверхня ДНК-зв’язуючого домену Lac репресора (сірий колір) приєднана до ДНК (синій колір). (г) Такий же ДНК-зв’язуючий домен, як і у (в), але відокремлений від ДНК із показаними інеракційними поверхнями. Групи протеїну і ДНК які взаємодіють через водневі зв’язки показано червоним кольором; групи, які взаємодіють через гідрофобні взаємодії показано оранжевим кольором. У цій моделі показано лише декілька груп, задіяних у розпізнаванні специфічних послідовностей ДНК. Комплементрана природа двох поверхонь очевидна.

Цинковий палець

У цинковому пальці близько 30 залишків амінокислот утримуються разом поблизу основ одиничним йоном Zn²⁺, який зв’язує координативними зв’язками чотири залишки амінокислот (чотири Цис, або два Цис і два Гіс). Сам по собі цинк не взаємодіє із ДНК , а радше координування цинку із залишками амінокислот стабілізує цей невеликий структурний мотив. Декілька гідрофобних бокових ланцюгів в основі також придають стабільності цій структурі. На Рисунку 28-12 показано взаємодію між ДНК і трьома цинковими пальцями одиночного поліпептиду мишачого регуляторного протеїну Zif268.

Багато ДНК-зв’язуючих протеїнів еукаріот містять цинкові пальці. Взаємодія таких струтктур із ДНК є слабкою, тому багато ДНК-зв’язуючих протеїнів, як наприклад Zif268, мають багато цинкових пальців, які суттєво збільшують зв’язування із ДНК взаємодіючи із нею одночасно. Один ДНК-зв’язуючий протеїн жаби Xenopus має 37 цинкових пальців. Є декілька прикладів навності цих структур і в прокаріотичних протеїнах. Точність зв’язування цинкового пальця із ДНК відрізняється в залежності від протеїну. У деяких цинкових пальцях наявні залишки амінокислот, які важливі для специфічного зв’язування із ДНК, інші зв’язуються неспецифічно (необхідні для специфічного зв’язування амінокислоти можуть знаходитись у будь-якому місці протеїну). Цинковий палець може також функціонувати у ролі РНК-зв’язуючого мотиву, як наприклад, у протеїнів що зв’язують еукаріотичну мРНК і виступають у ролі репресорів трансляції. Їх функції обговорюватимуться згодом (Підрозділ 28.3).

Гомеодомен

Ще один тип ДНК-зв’язуючих доменів ідентифіковано в багатьох протеїнах еукаріот, що функціонують у ролі регуляторів транскрипції, особливо протягом їх розвитку. Такі домени завбільшки із 60 амінокислот називаються гомеодоменами і вперше були виявлені у гомеотичних генах (тих, що контролюють план розвитку). Вони висококонсервативні і насьогодні ідентифіковані у протеїнах різноманітних організмів включно з людиною. ДНК-зв’язуючий сегмент домену подібний до мотиву гелікс-поворот-гелікс. Ділянка ДНК, в якій закодовано такий домен називається гомеобокс.

Регуляторні протеїни мають інтерактивні протеїн-протеїн домени

Регуляторні домени містять домени не лише для зв’язування ДНК, але і для взаємодії протеїну із протеїном, наприклад, із РНК полімеразою, та іншими регуляторними протеїнами або субодиницями цього ж регуляторного протеїну. Прикладами є багато транскрипційних факторів еукаріот, які функціонують у ролі активаторів генів і часто зв’язуються із ДНК у виді димерів, через ДНК-зв’язуючі домени із цинковими пальцями. Деякі із структурних доменів пристосовані до взаємодій, необхідних при формуванні димеру і є зазвичай передумовою до зв’язування із ДНК. Як і ДНК-зв’язуючі мотиви, структурні мотиви, які опосередковують протеїн-протеїн взаємодії відносться до однієї із декількох категорій. Двома важливими прикладами тут є лейциновий замок-блискавка, або просто лейцинова блискавка (leucine zipper, англ) і основний мотив гелікс-петля-гелікс (basic helix-loop-helix). Ці структурні мотиви є основою для класифікації регуляторних протеїнів в структурні родини.

Рисунок 28-12

Цинковий палець

Три цинкові пальці (сірий колір) регуляторного протеїну Zif268, у комплекі із ДНК (голубий і білий кольори) (PDB ID 1A1L). Кожен йон Zn²⁺ (червоно-коричневий колір) утворює координаційні зв’язки з двома залишками Гіс і Цис.

Рисунок 28-13

Гомеодомен

Показано зв’язаний із ДНК гомеодомен. Один із  геліксів (червоний колір), який накладається на два інших можна побачити виступаючим в велику виямку ДНК (PDB ID 1B8I). Показано невелику частину набагато більшого протеїну ультрабіотракс (Ubx), що регулює розвиток плодової мушки.

Лейцинова блискавка

Цей мотив є амфіпатичним  геліксом із серією залишків гідрофобних амінокислот сконцентрованих на одній із сторін (Рис.28-14) з гідрофобною поверхнею, що формує площу контактів між двома поліпептидами димеру. Вражаючою властивістю таких  геліксів є наявність у кожній сьомій позиції залишків Лей, що формує пряму лінію вздовж гідрофобної поверхні. Незважаючи на оригінальну хибну думку про те, що залишки Лей переплітаються на кшталт замка-блискавки (звідки і походить назва), на сьогодні відомо, що вони лише розташовуються поруч один одного, як і взаємодіючі  гелікси, що переплітаються формуючи надспіралізовану спіраль (Рис. 28-14б). У регуляторних протеїнів із лейциновими замками-блискавками часто наявний окремий ДНК-зв’язуючий домен із великою концентрацією залишків основних амінокислот (Ліз чи Арг), які реагують із негативно зарядженими фосфатами скелету ДНК. Лейцинові замки-блискавки знайдені в багатьох протеїнах еукаріот і у незначній кількості протеїнів прокаріот.