Основні білкові сайти розпізнавання днк

Насправді, існує обмежена кількість місць молекули білку, за допомогою яких остання може приєднатись ДНК, до якої можуть приєднуватися білки, оскільки більшу частину часу у клітині молекула ДНК зберігає відносно конформаційно-рігідну В-форму будови. Найпоширеніші сайти розпізнавання ДНК білками включають у себе:

1. Конструкція «α-хелікс-згин-α-хелікс», відома як НТН-ділянка,

2. Ділянка «цинкових пальців» та відповідна прилягаюча до неї петля,

3. Регіони лейцинового та інших «зіпперів»,

4. Ділянки β-складчастості,

5. β-шпилькові структури.

У даній темі ми поговоримо про них детальніше.

Особливості прямих контактів днк з білками

Прямі контакти обов’язково включають у себе водневі зв’язки між бічними ланцюгами амінокислот у складі білку та гранями пар основ, причому обидва види структур можуть бути як донорами, так і акцепторами. Іноді сам кістяк білку може безпосередньо контактувати з ДНК через фосфати або основи, але такі контакти слугують лише для зміцнення спорідненості і не є специфічними.

Більшість прямих специфічних контактів між білком та ДНК здійснюється через атоми О6 та/або N7 гуанінів, що формують водневі зв’язки з:

1. Позитивно зарядженими групами довгих та гнучких бічних ланцюгів аргініну та лізину,

2. Амідними групами аспарагіну та глютаміну,

3. Гідроксильною групою серину.

У таблиці на слайді 2 показано середній відносний розподіл зв’язків між амінокислотами у білку та основами в ДНК у відомих комплексах білок-ДНК. На слайді 3 показано формування зв’язків аргініну та лізину з парою Г-Ц, а на слайді 4 – варіанти зв’язків тієї ж пари Г-Ц з глютаміном та серином. Причому впізнавання за одним сайтом формування водневого зв’язку відрізняється від впізнавання за двома сайтами лише тим, що амінокислотний залишок лише трохи змінює свою позицію. Взагалі формування двох зв’язків є більш вигідним енергетично, тому більш ймовірним.

Аденінові нуклеозиди впізнаються через атоми N6 та/або N7 відповідної основи, хоча таке впізнавання відбувається рідше, ніж у випадку гуаніну. Також рідшим випадком є впізнавання піримідинів, ніж пуринів.

Варто відмітити, що стехіометрія зв’язування АК з основами не завжди дорівнює 1:1, не виключенням є бідентатні варіанти, а також більш складні полідентатні. З таблицці на слайді 2 видно, що формування водневих зв’язків одночасно з обома членами пари основ за Уотсоном-Криком не є поширеною практикою, скоріше, лише один з нуклеотидів пари залучений до впізнавання.

На слайді 5а показані можливі варіанти розміщення бічного ланцюга глютаміну відносно пари основ А-Т в ДНК, а на слайді 6b – варіант одночасного формування водневих зв’язків між залишком аргініну та парою Г-Ц.

Також можливим є варіант приєднання бічного ланцюга АК одночасно до двох сусідніх за ланцюгом основ у парах, як це показано на слайді 6 на прикладі залишку лізину. Такий варіант демонструє селективність білків по відношенню до послідовності на динуклеотидному рівні. Послідовність ТГ, що показана на схемі, у даному випадку розпізнається бічним ланцюгом лізину через його приєднання до обох карбонільних груп у складі тиміну та гуаніну відповідно. Зміна цієї послідовності на ТА або ТЦ призвела до неправильного розташування карбонілів та до неможливості формування зв’язків з лізином. Такий варіант рекогніції носить назву бідентатного.

Іноді одним з членів такого прямого зв’язку між білками та ДНК виступає молекула води, яка сама може приєднуватись до компонентів зв’язку або формувати місток між ними:

1. У комплексі репресора/оператора trp з ДНК E.coli. У даному комплексі було знайдено два звичайні контакти між аргініном та гуаніном, а також три – за посередництвом молекул води,

2. у кристалічній структурі ексцизійного комплексу ДНК, отриманого з бактеріофага λ Семом зі співробітниками у 2004 році. Такий комплекс мав нехарактерний регіон у вигляді ділянки так званого «крилатого» хеліксу (α-хелікс + β-шпилька) у білковій частині – ферменті ексцизіоназі, що взаємодіяв з великою борозенкою В-ДНК через інтенсивну сітку водневих зв’язків, опосередкованих молекулами води.

3. У кристалі комплексу репресор/оператор, отриманому з бактеріофага λ, у якому гідроксильна група серину-45 прямо взаємодіяла з атомами О6 та N7 гуаніну. Карбонільний атом кисню білкового кістяку з даного серину при цьому взаємодіяв через молекулу води з атомом N4 комплементарного до гуаніну цитозину, та, через ту ж молекулу води, з прилеглим до пари Г-Ц тиміном.

Існує декілька факторів, які не дозволяють жорстко класифікаційно прив’язати певні послідовності нуклеотидів до відповідних залишків амінокислот, для утворення відповідних водневих зв’язків. Такі фактори включають:

1. Різниця у структурі ДНК у різних комплексах,

2. Різні типи білків та їх ділянок, що залучені до впізнавання послідовностей ДНК,

3. Інші фактори впізнавання, які можуть відігравати значну роль у визначенні механізму рекогніції окремих послідовностей, наприклад, здатність метильних груп тиміну до формування близьких Ван-дер-Ваальсових взаємодій з гідрофобними бічними радикалами АК,

4. Загальна можливість розпізнавання однієї основи декількома амінокислотами.

До речі, прикладом ролі метальних груп тиміну у зв’язках між білками та ДНК може бути зазубрена гомодоменна структура, в якій був знайдений близький контакт між ізолейцином-47 та однією з таких метильних груп, яка належала тиміну з сигнальної послідовності ТААТ. Такі зв’язки, як правило, відіграють значну роль у стабілізації комплексів ДНК-білок.

Гнучкість кістяку білку у розпізнаючому регіоні допомагає встановити оптимальні типи зв’язків між останнім та великою борозенкою ДНК за допомогою певних електростатичних та гідрофобних взаємодій. До того ж, такі взаємодії є корисними для здійснення непрямого зчитування послідовностей ДНК білком.

Роль непрямого зчитування у взаємодії білок-ДНК може бути підтверджена на різних НТН-комплексах, одним з найпоширеніших з яких є комплекс репресор/оператор trp. Дана структура має велику кількість контактів між бічними ланцюгами білкової частини та фосфатними групами оперонної ДНК, причому ніякого прямого зчитування послідовностей даної ДНК у даному випадку не виявлено. Можливо, що у впізнаванні послідовності у даному випадку велика роль належить кумулятивному ефекту непрямих взаємодій.

Обидва види зчитувань загалом направлені на впізнавання ключових залишків як в ДНК, так і у білку, що потрібно для ефективної взаємодії. Функціональна значимість таких механізмів може бути підтверджена на дослідах з експериментального мутагенезу, а також через статистику виявлення даних залишків у складі відомих нуклеопротеїдних комплексів та на оперонних послідовностях. Наприклад, залишки триптофану-48, фенілаланіну-49, аспарагіну-51 та аргініну-53 всі знаходяться у складі кожного з членів великої родини еукаріотичних гомодоменних комплексів ДНК-білок. Структурний аналіз таких доменів показує, що перші два з цих залишків відіграють критичну роль у підтриманні інтактності гідрофобного кору впізнаючого комплексу. Інші два залишки прямо взаємодіють з основою та фосфатними групами відповідно.