Регуляция на уровне транскрипции требует специфического взаимодействия днк и белков

Модель пространственной структуры ДНК предложенная Криком и Уотсоном в 1953 г на первый взгляд казалась монотонно устроенной структурой с жестко детерминированными расстояниями и углами поворота между основаниями. Однако более детальное исследование показало существование локальных особенностей структуры, позволяющих специфически узнавать эти особенности молекулам белков. Химические группы пар азотистых оснований хорошо «просматриваются» в большой и малой бороздках молекулы ДНК, создавая неповторимые сочетания, которые могут выполнять роль специфических знаков для узнавания белками.

Рис. Схема расположения групп, участвующих в белков-нуклеиновокислотном узнава Выделены и исследованы сотни последовательностей нуклеотидов, используемых для специфического узнавания белками. Это обычно небольшие отрезки ДНК, некоторые из них приводятся ниже в таблице 10-9.

 

. Белки регуляторы и узнаваемая ими последовательность нуклеотидов на ДНК
	Белок	Последовательность
E.Coli	Lac-репрессор	ААТТГТГАГЦГГАТААЦААТТ ТТААЦАЦТЦГЦЦТАТТГТТАА
	САР	ТГТГАГТТАГЦТЦАЦТ АЦАЦТЦААТЦГАГТГА
Дрожжи	GAL-4	ЦГГАГГАЦТГТЦЦТЦЦГ ГЦЦТЦЦТГАЦАГГАГГЦ
Животные	Oct-1	АТГЦАААТ ТАЦГТТТА
	GATA-1	ТГАТАГ АЦТАТЦ

В основе молекулярного узнавания лежит принцип комплемнтарности между поверхностями двух молекул. В случае взаимодействия регуляторного белка и молекулы ДНК между поверхностью белка и структурой ДНК образуется множество специфических контактов (по меньшей мере, в 20 точках) при участии водородных связей, ионного и гидрофобного взаимодействий. Слабые взаимодествия в таком количестве делают это взаимодействие достаточно прочным. Исследование структуры многих белков, участвующих в регуляции экспрессии генов, позволило выделить несколько групп белков, объединенных общими признаками в структурной организации.

Спираль-поворот-спираль. Первой изученной связывающей ДНК структурой в белке была структура названная спираль- поворот- спираль. Подобная структура, обеспечивающая специфическое связывание белка и ДНК обнаружена в сотнях ДНК связыващих белков и у прокариот и у эукриот. 2 спиральных участка молекулы согнутые под углом в области короткого линейного отрезка располагались таким образом, что С-концевой отрезок вписывался в большую бороздку ДНК и специфически узнавал определенную последовательность нуклеотидов. Как правило, все белки с такой структурой выполняли свою функцию в виде димеров. К этой группе белков относятся и гомеодомен: гомеодомен - высоко консервативный домен из 60 аминокислот, обнаруженный среди большого семейства факторов транскрипции. Это семейство было сначала идентифицировано у Drosophila (до 60 белков), а впоследующем обнаружены у всех живых организмов от дрожжей до человека. Эти белки кодируются группой генов, изменение которых, может вызвать нарушение номального формирования организма (преобразования одной части тела в другую, так называемые гомеотические преобразования). Этот класс генов был идентифицирован как у беспозвоночных так и позвоночных. Сам гомеодомен формирует структуру, высоко подобную бактериальным белкам типа спираль-поворот-спираль.

Цинковые пальцы: Если структура спираль-поворот-спираль состоит только из аминокислот, второй тип наиболее часто встречающихся типов структур узнающих ДНК содержит в качестве стабилизирующего элемента ион цинка. Существует целое семейство таких белков, наиболее простой из которых составлен из a спирального отрезка цепи и отрезка с b - структурой, связанных между собой ионами цинка. Этот тип белков участвует в регуляции транскрипции рибосомных РНК (фактор транскрипции РНК pol III, TFIIIA). Второй вариант такой структуры составлен из 2-х a- спиральных участков, также связанных ионами цинка. К ним относятся внутриклеточные рецепторы стероидных гормонов и гомонов щитовидной железы. Атомы цинка связываются с остатками цистеина и гистидина, способствуя формированию пальцевидных структур. И тот и другой варианты используют a -спиральные структуры для узнавания участков. Области пальца могут "вставляться " в главное углубление спирали ДНК. Интервал цинковой области пальца в этом классе факторов транскрипции совпадает с полуповоротом двойной спирали.

Спираль-петля-спираль (HLH): HLH домен формирует димеры. HLH домен составлен из двух a- спиральных областей, разделенных областью переменной длины, которая формирует петлю между 2 a – спиралями. Этот домен подобен структуре спираль-поворот-спираль, a спиральные области структурно подобны и необходимы для взаимодействия белка с элементами последовательности, которые обладают двойной осью симметрии. Этот класс факторов транскрипции наиболее часто содержит область основных аминокислот, расположенных на N – концевом участке HLH домена (такие белки обозначают как bHLH белки). Эти аминокислоты необходимы для связывания с ДНК по специфическим последовательностям. HLH область функционирует в форме гомо и гетеродимеров. Среди белков, имеющих HLH домен можно назвать MyoD (фактор транскрипции идуцирующий миогенез) и c-Myc (первоначально идентифицированный как ретровирусный онкоген). Некоторые HLH белки не содержат основной области и, образуя гетеродимеры с белками bHLH, действуют как репрессоры, подавляя активность bHLH белков.

Лейциновая застежка - молния: как указывалось выше большинство белков, взаимодействуют с ДНК в форме димеров, причем в образовании димера участвуют последовательности аминокислот, которые не задействованы в самом механизме взаимодействия с ДНК.

Белки с лейциновым доменом застежки - молнии сочетают при этом обе функции и образование димера и связывание с ДНК. В белке имеются участки богатые гидрофобными аминокислотами (часто лейцином) радикалы которого выступают из a спиральной структуры этого белка. Два белка с такими участками могут формировать суперспираль в которой выступающие группы радикалов лейцина взаимодействуют с лейциновыми радикалами другого мономера подобно застежке - молнии. Димер при этом приобретает Y- форму. Ножки этой структуры содержат участки узнавания последовательности ДНК. Область лейциновой застежки - молнии присутствует в многих связывающих ДНК белках, типа c-Myc, C/EBP и т.д.