Лак-репрессор

Лак - репрессор ) представляет собой ДНК-связывающий белок, который ингибирует экспрессию генов , кодирующих белки , участвующие в метаболизме лактозы ( LacI у бактерий. Эти гены подавляются, когда лактоза недоступна клетке, гарантируя, что бактерия тратит энергию только на производство механизмов, необходимых для поглощения и использования лактозы, когда лактоза присутствует. Когда лактоза становится доступной, она сначала превращается в аллолактозу под действием β-галактозидазы ( lacZ ) в бактериях. Способность связывания ДНК lac-репрессора, связанного с аллолактозой, ингибируется из-за аллостерической регуляции , благодаря чему могут экспрессироваться гены, кодирующие белки, участвующие в поглощении и использовании лактозы.

Функция

lac - репрессор (LacI) действует по «спираль-поворот-спираль» мотиву в своем ДНК-связывающем домене , специфично связываясь с основной бороздкой операторной области lac- оперона , при этом контакты оснований также осуществляются остатками, связанными с симметрией. альфа-спирали, «шарнирные» спирали, которые глубоко связываются в малой бороздке. ^[1] Этот связанный репрессор может снижать транскрипцию белков Lac, закрывая сайт связывания РНК-полимеразы или вызывая образование петель в ДНК. ^[2] Когда присутствует лактоза, аллолактоза связывается с lac- репрессором, вызывая аллостерическое изменение его формы. В измененном состоянии lac -репрессор не может прочно связываться со своим родственным оператором. Таким образом, ген в основном выключен в отсутствие индуктора и в основном включен в присутствии индуктора, хотя степень экспрессии гена зависит от количества репрессоров в клетке и от сродства репрессора к ДНК-связыванию. ^[3] Изопропил β-D-1-тиогалактопиранозид (ИПТГ) представляет собой широко используемый имитатор аллолактозы, который можно использовать для индукции транскрипции генов, регулируемых lac- репрессором.

Структура

Структурно lac белок-репрессор представляет собой гомотетрамер . Точнее, тетрамер содержит две ДНК-связывающие субъединицы, состоящие из двух мономеров каждая (димер из димеров). Каждый мономер состоит из четырех отдельных областей: ^[4]^[5]^[6]

N-концевой ДНК-связывающий домен (в котором два белка LacI связываются с одним операторным сайтом)
( Регуляторный домен иногда называемый центральным доменом , который связывает аллолактозу, аллостерическую эффекторную молекулу)
Линкер , который соединяет ДНК-связывающий домен с основным доменом (иногда называемым шарнирной спиралью , который важен для аллостерической связи). ^[6])
С-концевая область тетрамеризации (которая объединяет четыре мономера в пучок альфа-спирали)

Связывание ДНК происходит через N-концевой спираль-поворот-спираль структурный мотив и направлено на одну из нескольких последовательностей операторной ДНК (известных как O ₁ , O ₂ и O ₃ ). Последовательность оператора O ₁ слегка перекрывается с промотором, что увеличивает сродство РНК-полимеразы к последовательности промотора, так что она не может вступить в элонгацию и остается в состоянии абортивной инициации . Кроме того, поскольку каждый тетрамер содержит две ДНК-связывающие субъединицы, связывание нескольких операторных последовательностей одним тетрамером вызывает образование петель ДНК. ^[7]

Каждый мономер содержит 360 аминокислот, то есть всего он имеет 1440 аминокислот и атомную массу 154 520 Дальтон. ^[8]

Кинетика связывания и несвязывания ДНК

Анимация механизма связывания и несвязывания димера LacI и его целевого участка ДНК.

LacI на удивление быстро находит ДНК своего целевого оператора. In vitro поиск происходит в 10-100 раз быстрее, чем теоретический верхний предел для двух частиц, ищущих друг друга посредством диффузии в трех измерениях (3D). ^[9] Чтобы объяснить быстрый поиск, была выдвинута гипотеза, что LacI и другие транскрипционные факторы (ТФ) находят свои сайты связывания посредством облегченной диффузии, комбинации свободной диффузии в 3D и 1D-скольжения по ДНК. ^[10] Во время скольжения репрессор контактирует со спиралью ДНК, скользя вокруг и отслеживая ее основную бороздку, что ускоряет процесс поиска за счет увеличения длины цели, когда ТФ скользит на оператора сбоку. in vivo Эксперименты с одиночными молекулами с клетками E.coli теперь протестировали и подтвердили модель облегченной диффузии и показали, что TF сканирует в среднем 45 пар оснований во время каждого события скольжения, прежде чем TF спонтанно отделяется и возобновляет исследование генома в 3D. ^[11] Эти эксперименты также предполагают, что LacI несколько раз скользит по оператору O ₁ перед связыванием, а это означает, что разные последовательности ДНК могут иметь разные вероятности быть распознанными при каждом столкновении с TF. Это подразумевает компромисс между быстрым поиском неспецифических последовательностей и связыванием с конкретными последовательностями. ^[11] Эксперименты in vivo и in vitro показали, что именно эта вероятность узнать оператор меняется в зависимости от последовательности ДНК, тогда как время, в течение которого ТФ остается в связанной конформации с оператором, меняется в зависимости от последовательности меньше. ^[12] ТФ часто покидает последовательность, которую он призван регулировать, но в сильном целевом участке он почти всегда совершает очень короткое путешествие, прежде чем снова найти путь назад. В макроскопическом масштабе это выглядит как устойчивое взаимодействие. Этот механизм связывания объясняет, как ДНК-связывающие белки умудряются быстро искать в геноме клетки, не задерживаясь слишком надолго на последовательностях, напоминающих истинную цель.

Моделирование полноатомной молекулярной динамики что транскрипционный фактор сталкивается с барьером в 1 во _{предполагает ,} kBT время скольжения и в 12 при _kBT . диссоциации, подразумевая, что репрессор будет скользить в среднем более 8 п.н. перед диссоциацией ^[13] Модель поиска lac-репрессора in vivo включает межсегментный перенос и перескок, а также скученность другими белками, которые делают геном в клетках E.coli менее доступным для репрессора. ^[14] Существование прыжка, при котором белок выскальзывает из основной бороздки ДНК и попадает в другую близлежащую бороздку вдоль цепи ДНК, было доказано более непосредственно in vitro , где наблюдалось, что lac-репрессор обходит операторы, меняет ориентацию и вращаются с более длинным шагом, чем период ДНК длиной 10,5 п.н., двигаясь вдоль него. ^[15]

Открытие

Лак - репрессор был впервые выделен Уолтером Гилбертом и Бенно Мюллер-Хиллом в 1966 году. ^[16] Они показали, что in vitro белок связывался с ДНК, содержащей lac- оперон, и высвобождал ДНК при IPTG ( аналог добавлении аллолактозы).

См. также

Лак-оперон

Ссылки

^ Шумахер М.А., Чой К.Ю., Залкин Х., Бреннан Р.Г. (ноябрь 1994 г.). «Кристаллическая структура члена LacI, PurR, связанного с ДНК: связывание малых борозд альфа-спиралями». Наука . 266 (5186): 763–70. Бибкод : 1994Sci...266..763S . дои : 10.1126/science.7973627 . ПМИД 7973627 .
^ Разо-Мехиа М., Бодикер Дж., Джонс Д., ДеЛуна А., Кинни Дж., Филлипс Р. (2014). «Сравнение теоретического и реального эволюционного потенциала генетической цепи» . Физическая биология . 1 (2): 026005. Бибкод : 2014PhBio..11b6005R . дои : 10.1088/1478-3975/11/2/026005 . ПМК 4051709 . ПМИД 24685590 .
^ Разо-Мехиа М., Барнс С., Белливо Н., Чуре Дж., Эйнав Т., Льюис М., Филлипс Р. (2018). «Настройка регуляции транскрипции посредством передачи сигналов: прогнозирующая теория аллостерической индукции» . Клеточные системы . 6 (4): 456–469. дои : 10.1016/j.cels.2018.02.004 . ПМЦ 5991102 . ПМИД 29574055 .
^ Гудселл Д.С. (2003). «Лак Репрессор». Банк данных белков RCSB . дои : 10.2210/rcsb_pdb/mom_2003_3 .
^ Льюис М. (июнь 2005 г.). «Лак-репрессор». Comptes Rendus Biologies . 328 (6): 521–48. дои : 10.1016/j.crvi.2005.04.004 . ПМИД 15950160 .
^ Jump up to: ^а ^б Свинт-Крузе Л., Мэтьюз К.С. (апрель 2009 г.). «Аллостерия в семействе LacI/GalR: вариации на тему» . Современное мнение в микробиологии . 12 (2): 129–37. дои : 10.1016/j.mib.2009.01.009 . ПМЦ 2688824 . ПМИД 19269243 .
^ Олер С., Эйсманн Э.Р., Кремер Х., Мюллер-Хилл Б. (апрель 1990 г.). «Три оператора lac-оперона сотрудничают в репрессиях» . Журнал ЭМБО . 9 (4): 973–9. дои : 10.1002/j.1460-2075.1990.tb08199.x . ПМК 551766 . ПМИД 2182324 .
^ Льюис, Митчелл (1 июня 2005 г.). «Репрессор озера» . Биологические отчеты . Вернитесь к озерному оперону. 328 (6): 521–548. дои : 10.1016/j.crvi.2005.04.004 . ISSN 1631-0691 .
^ Риггс, Артур Д.; Буржуа, Сюзанна; Кон, Мелвин (1970). «Взаимодействие лакового репрессора и оператора». Журнал молекулярной биологии . 53 (3). Эльзевир Б.В.: 401–417. дои : 10.1016/0022-2836(70)90074-4 . ISSN 0022-2836 . ПМИД 4924006 .
^ Берг, Отто Г.; Винтер, Роберт Б.; Фон Хиппель, Питер Х. (1 ноября 1981 г.). «Диффузионные механизмы транслокации белков на нуклеиновые кислоты. 1. Модели и теория». Биохимия . 20 (24). Американское химическое общество (ACS): 6929–6948. дои : 10.1021/bi00527a028 . ISSN 0006-2960 . ПМИД 7317363 .
^ Jump up to: ^а ^б Хаммар, Петтер; Лерой, Чернослив; Махмутович, Анель; Марклунд, Эрик Г.; Берг, Отто Г.; Эльф, Йохан (22 июня 2012 г.). «Лак-репрессор обеспечивает облегченную диффузию в живых клетках». Наука . 336 (6088): 1595–1598. Бибкод : 2012Sci...336.1595H . дои : 10.1126/science.1221648 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 22723426 . S2CID 21351861 .
^ Марклунд, Эмиль; Мао, Гуаньчжун; Юань, Цзиньвэнь; Зикрин, Спартак; Абдурахманов, Эльдар; Дейндл, Себастьян; Эльф, Йохан (28 января 2022 г.). «Специфичность последовательности при связывании ДНК в основном определяется ассоциацией» . Наука . 375 (6579). Американская ассоциация развития науки (AAAS): 442–445. дои : 10.1126/science.abg7427 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 35084952 . S2CID 246360459 .
^ Марклунд, Эрик Г.; Махмутович, Анель; Берг, Отто Г.; Хаммар, Петтер; Споул, Дэвид ван дер; Фанг, Дэвид; Эльф, Йохан (3 декабря 2013 г.). «Связывание и скольжение транскрипционных факторов на ДНК, изученное с использованием микро- и макроскопических моделей» . Труды Национальной академии наук . 110 (49): 19796–19801. Бибкод : 2013PNAS..11019796M . дои : 10.1073/pnas.1307905110 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 3856812 . ПМИД 24222688 .
^ Махмутович, Анель; Берг, Отто Г.; Эльф, Йохан (16 марта 2015 г.). «Что имеет значение для поиска лак-репрессора in vivo — скольжение, скачок, межсегментный перенос, скученность в ДНК или узнавание?» . Исследования нуклеиновых кислот . 43 (7): 3454–3464. дои : 10.1093/нар/gkv207 . ISSN 1362-4962 . ПМК 4402528 . ПМИД 25779051 .
^ Марклунд, Эмиль; ван Остен, Брэд; Мао, Гуаньчжун; Амселем, Элиас; Киппер, Калле; Сабанцев Антон; Эммерих, Эндрю; Глобиш, Дэниел; Чжэн, Сюань; Леманн, Лаура К.; Берг, Отто Г.; Йоханссон, Магнус; Эльф, Йохан; Дейндл, Себастьян (2020). «Исследование поверхности ДНК и обход оператора при поиске цели». Природа . 583 (7818): 858–861. Бибкод : 2020Natur.583..858M . дои : 10.1038/s41586-020-2413-7 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 32581356 . S2CID 220049852 .
^ Гилберт В. , Мюллер-Хилл Б. (декабрь 1966 г.). «Выделение лак-репрессора» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 56 (6): 1891–8. Бибкод : 1966ПНАС...56.1891Г . дои : 10.1073/pnas.56.6.1891 . ПМК 220206 . ПМИД 16591435 .

Внешние ссылки

Lac Repressor в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
Дополнительная информация о молекуле лак-репрессора. Архивировано 28 мая 2010 г. в Wayback Machine. базе данных белков
Лак Репрессор в Протеопедии .

[1] Шумахер М.А., Чой К.Ю., Залкин Х., Бреннан Р.Г. (ноябрь 1994 г.). «Кристаллическая структура члена LacI, PurR, связанного с ДНК: связывание малых борозд альфа-спиралями». Наука . 266 (5186): 763–70. Бибкод : 1994Sci...266..763S . дои : 10.1126/science.7973627 . ПМИД 7973627 .

[2] Разо-Мехиа М., Бодикер Дж., Джонс Д., ДеЛуна А., Кинни Дж., Филлипс Р. (2014). «Сравнение теоретического и реального эволюционного потенциала генетической цепи» . Физическая биология . 1 (2): 026005. Бибкод : 2014PhBio..11b6005R . дои : 10.1088/1478-3975/11/2/026005 . ПМК 4051709 . ПМИД 24685590 .

[3] Разо-Мехиа М., Барнс С., Белливо Н., Чуре Дж., Эйнав Т., Льюис М., Филлипс Р. (2018). «Настройка регуляции транскрипции посредством передачи сигналов: прогнозирующая теория аллостерической индукции» . Клеточные системы . 6 (4): 456–469. дои : 10.1016/j.cels.2018.02.004 . ПМЦ 5991102 . ПМИД 29574055 .

[4] Гудселл Д.С. (2003). «Лак Репрессор». Банк данных белков RCSB . дои : 10.2210/rcsb_pdb/mom_2003_3 .

[5] Льюис М. (июнь 2005 г.). «Лак-репрессор». Comptes Rendus Biologies . 328 (6): 521–48. дои : 10.1016/j.crvi.2005.04.004 . ПМИД 15950160 .

[pmid19269243-6] Jump up to: ^а ^б Свинт-Крузе Л., Мэтьюз К.С. (апрель 2009 г.). «Аллостерия в семействе LacI/GalR: вариации на тему» . Современное мнение в микробиологии . 12 (2): 129–37. дои : 10.1016/j.mib.2009.01.009 . ПМЦ 2688824 . ПМИД 19269243 .

[pmid2182324-7] Олер С., Эйсманн Э.Р., Кремер Х., Мюллер-Хилл Б. (апрель 1990 г.). «Три оператора lac-оперона сотрудничают в репрессиях» . Журнал ЭМБО . 9 (4): 973–9. дои : 10.1002/j.1460-2075.1990.tb08199.x . ПМК 551766 . ПМИД 2182324 .

[8] Льюис, Митчелл (1 июня 2005 г.). «Репрессор озера» . Биологические отчеты . Вернитесь к озерному оперону. 328 (6): 521–548. дои : 10.1016/j.crvi.2005.04.004 . ISSN 1631-0691 .

[Riggs_Bourgeois_Cohn_1970_pp._401–417-9] Риггс, Артур Д.; Буржуа, Сюзанна; Кон, Мелвин (1970). «Взаимодействие лакового репрессора и оператора». Журнал молекулярной биологии . 53 (3). Эльзевир Б.В.: 401–417. дои : 10.1016/0022-2836(70)90074-4 . ISSN 0022-2836 . ПМИД 4924006 .

[Berg_Winter_Von_Hippel_1981_pp._6929–6948-10] Берг, Отто Г.; Винтер, Роберт Б.; Фон Хиппель, Питер Х. (1 ноября 1981 г.). «Диффузионные механизмы транслокации белков на нуклеиновые кислоты. 1. Модели и теория». Биохимия . 20 (24). Американское химическое общество (ACS): 6929–6948. дои : 10.1021/bi00527a028 . ISSN 0006-2960 . ПМИД 7317363 .

[:0-11] Jump up to: ^а ^б Хаммар, Петтер; Лерой, Чернослив; Махмутович, Анель; Марклунд, Эрик Г.; Берг, Отто Г.; Эльф, Йохан (22 июня 2012 г.). «Лак-репрессор обеспечивает облегченную диффузию в живых клетках». Наука . 336 (6088): 1595–1598. Бибкод : 2012Sci...336.1595H . дои : 10.1126/science.1221648 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 22723426 . S2CID 21351861 .

[Marklund_Mao_Yuan_Zikrin_2022_pp._442–445-12] Марклунд, Эмиль; Мао, Гуаньчжун; Юань, Цзиньвэнь; Зикрин, Спартак; Абдурахманов, Эльдар; Дейндл, Себастьян; Эльф, Йохан (28 января 2022 г.). «Специфичность последовательности при связывании ДНК в основном определяется ассоциацией» . Наука . 375 (6579). Американская ассоциация развития науки (AAAS): 442–445. дои : 10.1126/science.abg7427 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 35084952 . S2CID 246360459 .

[13] Марклунд, Эрик Г.; Махмутович, Анель; Берг, Отто Г.; Хаммар, Петтер; Споул, Дэвид ван дер; Фанг, Дэвид; Эльф, Йохан (3 декабря 2013 г.). «Связывание и скольжение транскрипционных факторов на ДНК, изученное с использованием микро- и макроскопических моделей» . Труды Национальной академии наук . 110 (49): 19796–19801. Бибкод : 2013PNAS..11019796M . дои : 10.1073/pnas.1307905110 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 3856812 . ПМИД 24222688 .

[14] Махмутович, Анель; Берг, Отто Г.; Эльф, Йохан (16 марта 2015 г.). «Что имеет значение для поиска лак-репрессора in vivo — скольжение, скачок, межсегментный перенос, скученность в ДНК или узнавание?» . Исследования нуклеиновых кислот . 43 (7): 3454–3464. дои : 10.1093/нар/gkv207 . ISSN 1362-4962 . ПМК 4402528 . ПМИД 25779051 .

[Marklundvan_Oosten2020-15] Марклунд, Эмиль; ван Остен, Брэд; Мао, Гуаньчжун; Амселем, Элиас; Киппер, Калле; Сабанцев Антон; Эммерих, Эндрю; Глобиш, Дэниел; Чжэн, Сюань; Леманн, Лаура К.; Берг, Отто Г.; Йоханссон, Магнус; Эльф, Йохан; Дейндл, Себастьян (2020). «Исследование поверхности ДНК и обход оператора при поиске цели». Природа . 583 (7818): 858–861. Бибкод : 2020Natur.583..858M . дои : 10.1038/s41586-020-2413-7 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 32581356 . S2CID 220049852 .

[16] Гилберт В. , Мюллер-Хилл Б. (декабрь 1966 г.). «Выделение лак-репрессора» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 56 (6): 1891–8. Бибкод : 1966ПНАС...56.1891Г . дои : 10.1073/pnas.56.6.1891 . ПМК 220206 . ПМИД 16591435 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]