Класифікація білків, що приєднуються до днк та види зчитування послідовностей цими білками

Білки, що приєднуються до ДНК, можна класифікувати як за структурними, так і за функціональними ознаками. Функціонально виділяють наступні групи:

1. Регуляторні білки – як правило, приєднуються до високо специфічних послідовностей у складі ДНК для контролю транскрипції певного гену або групи генів. Можуть також зв’язуватися з загально відомими сигнальними ділянками, такими як 5’-ТАТА для більш широкої індукції транскрипції.

2. Білки, що розщеплюють ДНК (нуклеази) - деякі з них, такі як ДНК-аза І, мають відносно малу специфічність щодо послідовності нуклеотидів, хоча можуть характеризуватися певною структурною селективністю по відношенню до ДНК. Інші, які відомі під назвою рестриктаз, розщеплюють молекули лише у місцях певних послідовностей (як, правило, паліндромів).

3. Репаративні білки – відповідають за впізнавання, вилучення та репарацію різноманітних пошкоджень ДНК, а також за поєднання утворених розривів у ланцюгах.

4. Топологічні ферменти – білки, що здійснюють внесення або вилучення супервитків у структурі ДНК, особливо важливими є для початкових етапів реплікації. Особливо потужного поштовху останнім часом набуло вивчення ДНК-топоізомераз з цієї групи білків, як потенційних мішеней антиракової терапії.

5. Структурні білки – підтримують цілісність згорнутої або запакованої у хроматин ДНК; яскравим прикладом є гістони, а також ряд негістонових білків.

6. Процесингові білки – ті, які відповідні за синтез та дозрівання нових молекул ДНК та РНК. Сюди відносять відповідні ДНК- та РНК-полімерази, які використовують ДНК у якості матриці для синтезу НК. Специфічність до послідовності у даній категорії білків практично не має значення, скоріше важливим є саме тип ДНК-дуплексу у якості матриці.

Як правило, більшість з даних білків є специфічними до певного виду послідовності, яка зчитується ними через водневі зв’язки з парами основ. Найбільш доступними кільця основ є саме у борозенках ДНК, малій та великій, тому переважна більшість цих білків зв’язуються саме усередині борозенок. На слайді 2 представлена схема місць формування додаткових водневих зв’язків білків з парами основ з боку малої та великої борозенки В-ДНК, які позначено відповідними літерами.

Переважаючим місцем взаємодії білків з ДНК за водневими зв’язками є саме велика борозенка, тому вона являє собою основний сайт специфічного зчитування та розпізнавання послідовностей ДНК. Вона ж виступає у якості мішені для регуляторних та структурних білків, особливо тих, які за рахунок зв’язування з цією борозенкою, згинають або деформують ДНК, щоб забезпечити розкриття малої борозенки та доступ до неї.

В той час, як пряме зчитування послідовностей ДНК білками йде через грані основ шляхом утворення водневих зв’язків, існує також варіант непрямого зчитування – через цукрово-фосфатний кістяк, або навіть просто через фосфатні групи. У даному випадку треба говорити вже не про зв’язки, а, скоріше, взаємодії, які не мають ковалентного характеру. Наприклад, через аніонну природу фосфатних груп вони можуть бути мішенями основних бічних ланцюгів білку з утворенням електростатичних взаємодій.

Щодо прямого зчитування, то не варто думати, що білки розпізнають лише класичні Уотсон-Криківські пари основ. У більшості випадків це саме так, але існують дані і про можливість зчитування неканонічних пар основ, наприклад, Хугстіновських, про які ми поговоримо пізніше. Прикладами комплексів ДНК з білками, поєднаними через неканонічні пари, можуть слугувати наступні:

1. Структура гомодоменного білок-ДНК-комплексу МАТα2, отримана у кристалічній формі Айшімою у 2002 році, у якій одна з пар основ А-Т мала Хугстіновський тип водневих зв’язків. Хоча пізніше ЯМР показало, що за умов нативності ДНК такий комплекс існувати не може. Було зроблено висновок, що Хугстіновська пара стабілізувалася за рахунок приєднання ДНК до білку.

2. Кристалічна структура людської ДНК-полімерази, що приєднана до праймера ДНК, була отримана Найром з колегами у 2006 році. У даній структурі поступаючий з середовища як субстрат нуклеозидтрифосфат примушував аденозин та декілька прилеглих до нього гуанозинів у складі праймеру на активному сайті ферменту переходити у син-конформацію, що призводило до перетворення пари А-Т на Хугстіновську.