Бактериальный ДНК-связывающий белок
| Bac_DNA_binding | |||
|---|---|---|---|
 анабаена сокристаллическая структура ху-ДНК (ahu6) | |||
| Идентификаторы | |||
| Символ | Bac_DNA_binding | ||
| Пфам | PF00216 | ||
| ИнтерПро | IPR000119 | ||
| PROSITE | PDOC00044 | ||
| ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ 2 | 1 оттенок / ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ / СУПФАМ | ||
| CDD | cd00591 | ||
| |||
В молекулярной биологии бактериальные ДНК-связывающие белки представляют собой семейство небольших, обычно основных белков, состоящих примерно из 90 остатков, которые связывают ДНК и известны как гистоноподобные белки. [ 1 ] [ 2 ] Поскольку бактериальные связывающие белки обладают разнообразными функциями, было трудно разработать общую функцию для всех них. Их обычно называют гистоноподобными , и они имеют много сходных черт с эукариотическими гистоновыми белками. Эукариотические гистоны упаковывают ДНК, помогая ей разместиться в ядре. Известно, что они являются наиболее консервативными белками в природе. [ 3 ] Примеры включают белок HU в Escherichia coli , димер тесно связанных альфа- и бета-цепей, а у других бактерий может быть димером идентичных цепей. Белки HU-типа обнаружены у множества бактерий (включая цианобактерии ) и архей, а также кодируются в хлоропластов геноме некоторых водорослей . [ 4 ] Интеграционный фактор хозяина (IHF), димер тесно связанных цепей, который, как предполагается, участвует в генетической рекомбинации , а также в трансляции и транскрипции. контроле [ 5 ] обнаружен в Enterobacteria и вирусных белках , включая белок A104R вируса африканской чумы свиней (или LMW5-AR). [ 6 ]
Это семейство также встречается в группе эукариот, известных как динофлагелляты . Эти гистоноподобные белки динофлагеллят заменяют гистон у некоторых динофлагеллят и упаковывают ДНК в жидкокристаллическое состояние. [ 7 ]
История
[ редактировать ]Гистоноподобные белки присутствуют во многих эубактериях , цианобактериях и архебактериях . Эти белки участвуют во всех ДНК-зависимых функциях; В этих процессах бактериальные ДНК-связывающие белки играют архитектурную роль, поддерживая структурную целостность во время транскрипции , рекомбинации , репликации или любого другого ДНК-зависимого процесса. Эукариотические гистоны были впервые обнаружены в экспериментах с 0,4 М NaCl . При таких высоких концентрациях соли белок-гистон эукариот элюируется из раствора ДНК, в котором одноцепочечная ДНК ковалентно связана с целлюлозой. После элюирования белок легко связывается с ДНК, что указывает на его высокое сродство к ДНК. Гистоноподобные белки не были известны в бактериях до тех пор, пока не было отмечено сходство между эукариотическими гистонами и HU-белком, особенно из-за обилия, основности и небольшого размера обоих белков. [ 8 ] В ходе дальнейшего исследования было обнаружено, что аминокислотный состав HU аналогичен составу эукариотических гистонов, что побудило к дальнейшим исследованиям точной функции бактериальных ДНК-связывающих белков и открытию других родственных белков у бактерий.
Роль в репликации ДНК
[ редактировать ]Исследования показывают, что бактериальный ДНК-связывающий белок играет важную роль во время репликации ДНК ; белок участвует в стабилизации отстающей цепи, а также взаимодействует с ДНК-полимеразой III . роль одноцепочечного ДНК-связывающего белка (SSB) во время репликации ДНК в клетках Escherichia coli , в частности взаимодействие между SSB и χ-субъединицей ДНК-полимеразы III в средах с различными концентрациями солей. Изучена [ 9 ]
При репликации ДНК в участке отстающей цепи ДНК-полимераза III удаляет нуклеотиды по отдельности из ДНК-связывающего белка. Нестабильная система SSB/ДНК приведет к быстрому распаду SSB, что останавливает репликацию ДНК. Исследования показали, что оцДНК стабилизируется за счет взаимодействия SSB и χ-субъединицы ДНК-полимеразы III в E. coli, таким образом подготавливаясь к репликации за счет поддержания правильной конформации, которая увеличивает аффинность связывания ферментов с оцДНК. Более того, связывание SSB с ДНК-полимеразой III в репликационной вилке предотвращает диссоциацию SSB, следовательно, увеличивая эффективность ДНК-полимеразы III в синтезе новой цепи ДНК.
Примеры
[ редактировать ]Х-НС
[ редактировать ]
Первоначально считалось, что бактериальные ДНК-связывающие белки помогают стабилизировать бактериальную ДНК. В настоящее время обнаружено гораздо больше функций ДНК-связывающих белков бактерий, включая регуляцию экспрессии генов с помощью гистоноподобного нуклеоид-структурирующего белка H-NS.
H-NS имеет массу около 15,6 кДа и способствует регуляции бактериальной транскрипции у бактерий путем репрессии и активации определенных генов. H-NS связывается с ДНК, имеющей внутреннюю кривизну. В E. coli H-NS связывается с промотором P1, снижая выработку рРНК во время стационарных и медленных периодов роста. РНК-полимераза и ДНК-связывающий белок H-NS имеют перекрывающиеся сайты связывания; считается, что H-NS регулирует выработку рРНК, воздействуя на сайт инициации транскрипции. Было обнаружено, что H-NS и РНК-полимераза связываются с промотором P1 и образуют комплекс. Когда H-NS связывается с РНК-полимеразой с промоторной областью, в ДНК становятся доступными структурные различия. [ 11 ] Также было обнаружено, что H-NS также может влиять на трансляцию, связываясь с мРНК и вызывая ее деградацию.
ХУ
[ редактировать ]HU – небольшой (10 кДа [ 12 ] ) бактериальный ДНК-связывающий белок, который структурно отличается от эукариотического гистона, но функционально действует аналогично гистону, индуцируя отрицательную суперспирализацию кольцевой ДНК с помощью топоизомеразы . Белок участвует в репликации, рекомбинации и репарации ДНК. Обладая α-спиральным гидрофобным ядром и двумя положительно заряженными плечами β-ленты, HU неспецифично связывается с дцДНК с низким сродством, но связывается с измененной ДНК, такой как соединения, разрывы, разрывы, развилки и выступы, с высоким сродством. Плечи связываются с малой бороздкой ДНК в состояниях низкого сродства; в состояниях с высоким сродством компонент ядра α-спирали также взаимодействует с ДНК. Однако функция этого белка не ограничивается исключительно ДНК; HU также связывается с РНК и гибридами ДНК-РНК с тем же сродством, что и сверхспиральная ДНК. [ 13 ]
Недавние исследования показали, что HU с высокой специфичностью связывается с мРНК rpoS. [ 14 ] транскрипт стресс- сигма-фактора РНК-полимеразы и стимулирует трансляцию белка. В дополнение к этой функции РНК было также продемонстрировано, что HU связывает DsrA, небольшую некодирующую РНК, которая регулирует транскрипцию посредством репрессии H-NS и стимулирует трансляцию посредством увеличения экспрессии rpoS. Эти взаимодействия позволяют предположить, что HU оказывает множественное влияние на транскрипцию и трансляцию в бактериальных клетках.
ИХФ
[ редактировать ]Интеграционный фактор хозяина, IHF, не является нуклеоид-ассоциированным белком, обнаруженным только у грамотрицательных бактерий. [ 15 ] Это гетеродимер массой 20 кДа, состоящий из субъединиц α и β, которые связываются с последовательностью 5’-WATCAANNNNTTR-3’ и изгибают ДНК примерно на 160 градусов. [ 16 ] β-плечи IHF содержат остатки пролина , которые помогают стабилизировать перегибы ДНК. Эти изломы могут помочь уплотнить ДНК и обеспечить сверхспирализацию . Способ связывания с ДНК зависит от факторов окружающей среды, таких как концентрация присутствующих ионов. При высокой концентрации KCl происходит слабый изгиб ДНК. Установлено, что более резкий изгиб ДНК происходит при концентрации KCl менее 100 мМ, а IHF не концентрируется. [ 17 ]
IHF был обнаружен как необходимый кофактор для рекомбинации в фага λ E.coli . В 2016 году было обнаружено, что IHF также играет ключевую роль в системах CRISPR типа I и типа II. Он играет важную роль в том, чтобы комплекс Cas1-Cas2 мог интегрировать новые спейсеры в последовательность CRISPR. Считается, что изгиб ДНК под действием IHF изменяет расстояние в больших и малых бороздках ДНК, позволяя комплексу Cas1-Cas2 вступать в контакт с основаниями ДНК. [ 18 ] Это ключевая функция системы CRISPR, поскольку она гарантирует, что новая область спейсеров всегда добавляется в начало последовательности CRISPR рядом с лидерной последовательностью. Такое направление интеграции IHF гарантирует, что спейсеры добавляются в хронологическом порядке, что обеспечивает лучшую защиту от самой последней вирусной инфекции. [ 19 ]
Сравнение
[ редактировать ]| ДНК-связывающий белок | Размер | Структура | Связывающий сайт | Эффект |
|---|---|---|---|---|
| Х-НС | 15,6 кДа | существует в димерах, чтобы физически предотвратить связывание РНК-полимеразы с промотором. | связывается с изогнутой ДНК, связывается с промотором P1 в E. coli | регуляция экспрессии генов |
| ХУ | 10 кДа | α-спиральное ядро и два положительно заряженных плеча β-ленты | неспецифически связывается с дцДНК, связывается с DsrA, небольшой некодирующей РНК, которая регулирует транскрипцию | вызывает отрицательную сверхспирализацию кольцевой ДНК |
| ИХФ | 22 кДа | αβαβ гетеродимер | связывается со специфическими последовательностями ДНК | создает перегибы в ДНК |
Последствия и дальнейшие исследования
[ редактировать ]Функции бактериальных ДНК-связывающих белков не ограничиваются репликацией ДНК. Исследователи исследовали другие пути воздействия этих белков. Известно, что ДНК-связывающий белок H-NS играет роль в организации хромосом и регуляции генов; однако недавние исследования также подтвердили их роль в косвенной регуляции функций жгутиков . [ 20 ] Некоторые регуляторные связи подвижности, на которые влияет H-NS , включают молекулу-мессенджер Cyclic di-GMP , регуляторный белок биопленки CsgD и сигма-факторы, σ(S) и σ(F). Дальнейшие исследования направлены на то, чтобы охарактеризовать то, как этот белок, организующий нуклеоиды, влияет на подвижность клетки посредством других регуляторных путей.
Другие исследователи использовали бактериальные ДНК-связывающие белки для исследования серовара Salmonella enterica Typhimurium , в котором гены T6SS активируются в результате инфекции макрофагов. При заражении S. Typhimurium их эффективность можно повысить с помощью механизма «обнаружить и убить» с подавлением T6SS H-NS. [ 21 ] Создаются анализы, которые сочетают в себе слияние репортеров, анализы изменения электрофоретической подвижности, ДНКазный след и флуоресцентную микроскопию для подавления кластера генов T6SS с помощью гистоноподобного нуклеоида, структурирующего белок H-NS.
См. также
[ редактировать ]- ДНК-связывающий домен
- ДНК-связывающий белок
- ДНК-связывающий белок из голодающих клеток
- Транскрипционный фактор
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дрлица К., Рувьер-Янив Дж. (сентябрь 1987 г.). «Гистоноподобные белки бактерий» . Микробиологические обзоры . 51 (3): 301–19. дои : 10.1128/MMBR.51.3.301-319.1987 . ПМЦ 373113 . ПМИД 3118156 .
- ^ Петтиджон Д.Е. (сентябрь 1988 г.). «Гистоноподобные белки и структура бактериальных хромосом» . Журнал биологической химии . 263 (26): 12793–6. дои : 10.1016/S0021-9258(18)37625-7 . ПМИД 3047111 .
- ^ Гриффитс, Энтони; Весслер, Сьюзен; Кэрролл, Шон; Добли, Джон. Введение в генетический анализ (10-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. стр. 428–429.
- ^ Ван С.Л., Лю XQ (декабрь 1991 г.). «Пластидный геном Cryptomonas phi кодирует белок, подобный hsp70, гистоноподобный белок и белок-носитель ацила» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 88 (23): 10783–7. Бибкод : 1991PNAS...8810783W . дои : 10.1073/pnas.88.23.10783 . ПМК 53015 . ПМИД 1961745 .
- ^ Фридман Д.И. (ноябрь 1988 г.). «Интеграционный фактор хозяина: белок по всем причинам» (PDF) . Клетка . 55 (4): 545–54. дои : 10.1016/0092-8674(88)90213-9 . hdl : 2027.42/27063 . ПМИД 2972385 . S2CID 8548040 .
- ^ Нейлан Дж.Г., Лу З., Кутиш Г.Ф., Сассман М.Д., Робертс П.К., Йозава Т., Рок Д.Л. (март 1993 г.). «Ген вируса африканской чумы свиней, имеющий сходство с бактериальными ДНК-связывающими белками, факторами бактериальной интеграции хозяина и фактором транскрипции фага SPO1 Bacillus, TF1» . Исследования нуклеиновых кислот . 21 (6): 1496. doi : 10.1093/nar/21.6.1496 . ПМК 309344 . ПМИД 8464748 .
- ^ Риаз, С; Суй, З; Нияз, З; Хан, С; Лю, Ю; Лю, Х (14 декабря 2018 г.). «Отличительные ядерные особенности динофлагеллят с особым акцентом на гистонах и гистонзамещающих белках» . Микроорганизмы . 6 (4): 128. doi : 10.3390/microorganisms6040128 . ПМК 6313786 . ПМИД 30558155 .
- ^ Дрлица К., Рувьер-Янив Дж. (сентябрь 1987 г.). «Гистоноподобные белки бактерий» . Микробиологические обзоры . 51 (3): 301–19. дои : 10.1128/MMBR.51.3.301-319.1987 . ПМЦ 373113 . ПМИД 3118156 .
- ^ Витте Г., Урбанке С., Курт У. (август 2003 г.). «Чи-субъединица ДНК-полимеразы III связывает одноцепочечный ДНК-связывающий белок с механизмом репликации бактерий» . Исследования нуклеиновых кислот . 31 (15): 4434–40. дои : 10.1093/нар/gkg498 . ПМК 169888 . ПМИД 12888503 .
- ^ Дорман, Чарльз Дж; Дейган, Падрейг (1 апреля 2003 г.). «Регуляция экспрессии генов гистоноподобными белками у бактерий». Текущее мнение в области генетики и развития . 13 (2): 179–184. дои : 10.1016/S0959-437X(03)00025-X . ПМИД 12672495 .
- ^ Шредер О., Вагнер Р. (май 2000 г.). «Бактериальный ДНК-связывающий белок H-NS подавляет транскрипцию рибосомальной РНК, захватывая РНК-полимеразу в инициирующий комплекс». Журнал молекулярной биологии . 298 (5): 737–48. дои : 10.1006/jmbi.2000.3708 . ПМИД 10801345 .
- ^ Сербан Д., Арсинейгас С.Ф., Воргиас К.Э., Томас Г.Дж. (апрель 2003 г.). «Структура и динамика ДНК-связывающего белка HU B. stearothermophilus, исследованная методами комбинационного рассеяния света и ультрафиолетово-резонансной рамановской спектроскопии» . Белковая наука . 12 (4): 861–70. дои : 10.1110/ps.0234103 . ПМК 2323852 . ПМИД 12649443 .
- ^ Баландина А., Камашев Д., Рувьер-Янов Ж (август 2002 г.). «Бактериальный гистонподобный белок HU специфически распознает сходные структуры во всех нуклеиновых кислотах: ДНК, РНК и их гибридах» . Журнал биологической химии . 277 (31): 27622–8. дои : 10.1074/jbc.M201978200 . ПМИД 12006568 .
- ^ Баландина А., Кларет Л., Хенгге-Аронис Р., Рувьер-Янив Дж. (февраль 2001 г.). «Гистоноподобный белок HU Escherichia coli регулирует трансляцию rpoS» . Молекулярная микробиология . 39 (4): 1069–79. дои : 10.1046/j.1365-2958.2001.02305.x . ПМИД 11251825 .
- ^ Диллон СК, Дорман С.Дж. (март 2010 г.). «Бактериальные нуклеоид-ассоциированные белки, структура нуклеоида и экспрессия генов». Обзоры природы. Микробиология . 8 (3): 185–95. дои : 10.1038/nrmicro2261 . ПМИД 20140026 . S2CID 33103160 .
- ^ Нуньес Дж.К., Бай Л., Харрингтон Л.Б., Хиндер Т.Л., Дудна Х.А. (июнь 2016 г.). «Иммунологическая память CRISPR требует фактора хозяина для специфичности» . Молекулярная клетка . 62 (6): 824–833. doi : 10.1016/j.molcel.2016.04.027 . ПМИД 27211867 .
- ^ Линь Дж., Чен Х., Дрёге П., Ян Дж. (2012). «Физическая организация ДНК с помощью множественных неспецифических способов связывания ДНК с интеграцией фактора хозяина (IHF)» . ПЛОС ОДИН . 7 (11): e49885. Бибкод : 2012PLoSO...749885L . дои : 10.1371/journal.pone.0049885 . ПМЦ 3498176 . ПМИД 23166787 .
- ^ Нуньес Дж.К., Бай Л., Харрингтон Л.Б., Хиндер Т.Л., Дудна Х.А. (июнь 2016 г.). «Иммунологическая память CRISPR требует фактора хозяина для специфичности» . Молекулярная клетка . 62 (6): 824–833. doi : 10.1016/j.molcel.2016.04.027 . ПМИД 27211867 .
- ^ Сорек Р., Лоуренс К.М., Виденхефт Б. (2013). «CRISPR-опосредованная адаптивная иммунная система у бактерий и архей» . Ежегодный обзор биохимии . 82 (1): 237–66. doi : 10.1146/annurev-biochem-072911-172315 . ПМИД 23495939 .
- ^ Ким Э.А., Блэр Д.Ф. (октябрь 2015 г.). «Функция гистоноподобного белка H-NS в подвижности Escherichia coli: множественные регуляторные роли, а не прямое действие на жгутиковый мотор» . Журнал бактериологии . 197 (19): 3110–20. дои : 10.1128/JB.00309-15 . ПМК 4560294 . ПМИД 26195595 .
- ^ Брюне Ю.Р., Ходр А., Логгер Л., Оссель Л., Миньо Т., Римски С., Каскалес Э. (июль 2015 г.). «H-NS подавление системы секреции острова патогенности сальмонеллы 6, кодируемой типом VI, ограничивает межбактериальное уничтожение Salmonella enterica Serovar Typhimurium» . Инфекция и иммунитет . 83 (7): 2738–50. дои : 10.1128/IAI.00198-15 . ПМЦ 4468533 . ПМИД 25916986 .