Бактериальный ДНК-связывающий белок - Bacterial DNA binding protein

Bac_DNA_binding
PDB 1p51 EBI.jpg
сокристаллическая структура анабаена ху-днк (ahu6)
Идентификаторы
СимволBac_DNA_binding
PfamPF00216
ИнтерПроIPR000119
PROSITEPDOC00044
SCOP21 оттенок / Объем / СУПФАМ
CDDcd00591

В молекулярной биологии бактериальные ДНК-связывающие белки семья небольшая, обычно базовый белки около 90 остатков, которые связывать ДНК и известны как гистоноподобные белки.[1][2] Поскольку бактериальные связывающие белки обладают разнообразными функциями, было трудно разработать общую функцию для всех из них. Их обычно называют гистоновый и имеют много сходных черт с гистоновыми белками эукариот. Эукариотический гистоны упаковывают ДНК, чтобы помочь ей поместиться в ядре, и они, как известно, являются наиболее консервативными белками в природе.[3] Примеры включают белок HU в кишечная палочка, а димер близкородственных альфа- и бета-цепей и в других бактерии может быть димером одинаковых цепей. Белки HU-типа были обнаружены у различных эубактерий (включая цианобактерии ) и архебактерии, а также кодируются в хлоропласт геном некоторых водоросли.[4] Фактор хоста интеграции (IHF), a димер близкородственных цепей, которые, как предполагается, функционируют в генетическая рекомбинация а также в переводной и транскрипционный контроль[5] находится в Энтеробактерии и вирусные белки в том числе Африканская чума свиней вирусный белок A104R (или LMW5-AR).[6]

Это семейство также встречается в группе эукариот, известных как динофлагелляты. Эти гистоноподобные белки динофлагеллят заменить гистон в некоторых динофлагеллятах и пакет ДНК в жидкокристаллическое состояние.[7]

История

Гистоноподобные белки присутствуют во многих Эубактерии, Цианобактерии, и Архебактерии. Эти белки участвуют во всех ДНК-зависимых функциях; в этих процессах бактериальные ДНК-связывающие белки играют архитектурную роль, поддерживая структурную целостность как транскрипция, рекомбинация происходит репликация или любой другой ДНК-зависимый процесс. Гистоны эукариот были впервые обнаружены в ходе экспериментов в 0,4M NaCl. В этих высоких концентрациях соли эукариотический гистоновый белок элюируется из раствора ДНК, в котором одноцепочечная ДНК ковалентно связана с целлюлозой. После элюирования белок легко связывает ДНК, что указывает на высокое сродство белка к ДНК. Гистоноподобные белки не присутствовали в бактериях до тех пор, пока не было отмечено сходство между эукариотическими гистонами и HU-белком, особенно из-за обилия, основность, и малый размер обоих белков.[8] При дальнейшем расследовании было обнаружено, что аминокислота Состав HU напоминает состав эукариотических гистонов, что побуждает к дальнейшим исследованиям точной функции бактериальных ДНК-связывающих белков и открытиям других родственных белков у бактерий.

Роль в репликации ДНК

Исследования показывают, что бактериальный ДНК-связывающий белок играет важную роль во время Репликация ДНК; белок участвует в стабилизации отстающей цепи, а также взаимодействует с ДНК-полимераза III. Роль белка связывания одноцепочечной ДНК (SSB) во время репликации ДНК в кишечная палочка клеток, в частности взаимодействия между SSB и субъединицей χ ДНК-полимеразы III в средах с различными концентрациями солей.[9]

При репликации ДНК на участке отстающей цепи ДНК-полимераза III удаляет нуклеотиды индивидуально из ДНК-связывающего белка. Нестабильная система SSB / ДНК может привести 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 готовясь к репликации, поддерживая правильную конформацию, которая увеличивает аффинность связывания ферментов с оцДНК. Более того, связывание SSB с ДНК-полимеразой III в репликационной вилке предотвращает диссоциацию SSB, следовательно, повышая эффективность ДНК-полимеразы III для синтеза новой цепи ДНК.

Примеры

H-NS

[10](i) РНК-полимераза на промоторе окружена изогнутой ДНК. (ii) Эта изогнутая ДНК оборачивается вокруг полимеразы. (iii) H-NS связывается с изогнутой ДНК, блокируя РНК-полимеразу на промоторе и предотвращая возникновение транскрипции. (iv) Экологические сигналы и факторы транскрипции высвобождают ДНК, связывающий бактериальный белок, и позволяют транскрипции продолжаться.

Первоначально считалось, что связывающие бактериальную ДНК белки помогают стабилизировать бактериальную ДНК. В настоящее время открыто гораздо больше функций ДНК-связывающих белков бактерий, включая регуляцию экспрессия гена к гистоноподобный белок, структурирующий нуклеоид, H-NS.

H-NS составляет около 15,6 кДа и помогает в регулировании бактериальная транскрипция в бактериях путем подавления и активации определенных генов. H-NS связывается с ДНК по собственной кривизне. В Кишечная палочка, H-NS связывается с промотором P1, уменьшая рРНК производство в периоды стационарного и медленного роста. РНК-полимераза и ДНК-связывающий белок H-NS имеет перекрывающиеся сайты связывания; считается, что H-NS регулирует продукцию 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, существуют структурные различия в ДНК, которые доступны.[11] Также было обнаружено, что H-NS также может влиять на трансляцию, связываясь с мРНК и вызывая его деградацию.

HU

HU - малая (10 кДа[12]) бактериальный гистоноподобный белок, напоминающий эукариотический Гистон H2B. HU действует аналогично гистону, вызывая отрицательную суперспирализацию в кольцевую ДНК с помощью топоизомераза. Белок участвует в репликации, рекомбинации и репарации ДНК. Имея α-спиральное гидрофобное ядро ​​и два положительно заряженных β-ленточных плеча, HU неспецифично связывается с дцДНК с низким сродством, но с высокой аффинностью связывается с измененной ДНК, такой как соединения, разрывы, промежутки, вилки и выступы. Плечи связываются с малой бороздкой ДНК в состояниях низкого сродства; в состояниях с высоким сродством компонент α-спирального ядра также взаимодействует с ДНК. Однако функция этого белка не ограничивается только ДНК; HU также связывается с гибридами РНК и ДНК-РНК с тем же сродством, что и суперспиральная ДНК.[13]

Недавние исследования показали, что HU с высокой специфичностью связывается с мРНК rpoS,[14] расшифровка стресса фактор сигма РНК-полимеразы и стимулирует трансляцию белка. В дополнение к этой функции РНК было также продемонстрировано, что HU связывает DsrA, небольшую некодирующую РНК, которая регулирует транскрипция путем репрессии H-NS и стимулирует трансляцию за счет увеличения экспрессии rpoS. Эти взаимодействия предполагают, что HU оказывает множественное влияние на транскрипцию и перевод в бактериальных клетках.

IHF

Фактор интеграции-хозяина, IHF, представляет собой связанный с нуклеоидом белок, обнаруживаемый только у грамотрицательных бактерий.[15] Это гетеродимер 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 имеют Пролин остатки, которые помогают стабилизировать изгибы ДНК. Эти изгибы могут помочь сжать ДНК и учесть суперспирализация. Способ связывания с ДНК зависит от факторов окружающей среды, таких как концентрация присутствующих ионов. При высокой концентрации KCl происходит слабое изгибание ДНК. Было обнаружено, что более резкое изгибание ДНК происходит, когда концентрация KCl менее 100 мМ, а IHF не концентрируется.[17]

IHF был обнаружен как необходимый кофактор для рекомбинация из λ фаг в E.coli. В 2016 году было обнаружено, что IHF также играет ключевую роль в CRISPR системы типа I и типа II. Он играет важную роль в обеспечении возможности комплексу Cas1-Cas2 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 в системе CRISPR, поскольку она гарантирует, что новые области спейсеров всегда добавляются в начале последовательности CRISPR рядом с лидерной последовательностью. Такое управление интеграцией со стороны IHF гарантирует, что спейсеры добавляются в хронологическом порядке, обеспечивая лучшую защиту от новейшей вирусной инфекции.[19]

Сравнение

Таблица 1. Сравнение некоторых ДНК-связывающих белков
ДНК-связывающий белокРазмерСтруктураСайт привязкиЭффект
H-NS15,6 кДасуществует в димерах для физического предотвращения связывания РНК-полимеразы с промоторомсвязывается с изогнутой ДНК, связывается с промотором P1 в Кишечная палочкарегуляция экспрессии генов
HU10 кДаα-спиральный сердечник и два положительно заряженных β-ленточных плечанеспецифично связывается с дцДНК, связывается с DsrA, небольшой некодирующей РНК, которая регулирует транскрипциювызывает отрицательную суперспирализацию в кольцевую ДНК
IHF20 кДаαβαβ гетродимерсвязывается с определенными последовательностями ДНКсоздает изгибы в ДНК

Последствия и дальнейшие исследования

Функции бактериальных ДНК-связывающих белков не ограничиваются репликацией ДНК. Исследователи изучали другие пути, на которые влияют эти белки. ДНК-связывающий белок H-NS, как известно, играет роль в организации хромосом и регуляции генов; однако недавние исследования также подтвердили их роль в косвенном регулировании жгутики функции.[20] Некоторые регуляторные связи моторики, которые H-NS влияния включают молекулу посланника Циклический ди-GMP, биопленочный регуляторный белок CsgD и сигма-факторы σ (S) и σ (F). Дальнейшие исследования призваны охарактеризовать способы, которыми этот нуклеоид-организующий белок влияет на подвижность клетки посредством других регуляторных путей.

Другие исследователи использовали бактериальные ДНК-связывающие белки для исследования. Salmonella enterica серовар Typhimurium, в котором гены T6SS активируются из-за макрофагальной инфекции. Когда С. Тифимуриум инфекций, их эффективность может быть повышена с помощью механизма "распознай и убей" с помощью сайленсинга T6SS H-NS.[21] Созданы анализы, которые объединяют слияния репортеров, анализы сдвига электрофоретической подвижности, отпечатки ДНКаз и флуоресцентную микроскопию, чтобы заглушить кластер генов T6SS с помощью гистоноподобного нуклеоида, структурирующего белок H-NS.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Drlica K, Rouviere-Yaniv J (сентябрь 1987 г.). «Гистоноподобные белки бактерий». Микробиологические обзоры. 51 (3): 301–19. Дои:10.1128 / MMBR.51.3.301-319.1987. ЧВК  373113. PMID  3118156.
  2. ^ Pettijohn DE (сентябрь 1988 г.). «Гистоноподобные белки и структура бактериальной хромосомы». Журнал биологической химии. 263 (26): 12793–6. PMID  3047111.
  3. ^ Гриффитс, Энтони; Весслер, Сьюзен; Кэрролл, Шон; Добли, Джон. Введение в генетический анализ (10-е изд.). Нью-Йорк: В. Х. Фриман и компания. С. 428–429.
  4. ^ Ван С.Л., Лю XQ (декабрь 1991 г.). «Пластидный геном Cryptomonas phi кодирует hsp70-подобный белок, гистоноподобный белок и белок-носитель ацила». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 88 (23): 10783–7. Дои:10.1073 / pnas.88.23.10783. ЧВК  53015. PMID  1961745.
  5. ^ 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. PMID  2972385. S2CID  8548040.
  6. ^ Нейлан Дж. Г., Лу З., Кутиш Г. Ф., Сассман М. Д., Робертс П. К., Йодзава Т., Рок Д. Л. (март 1993 г.). «Ген вируса африканской чумы свиней, сходный с ДНК-связывающими белками бактерий, факторами бактериальной интеграции-хозяина и фактором транскрипции SPO1 фага Bacillus, TF1». Исследования нуклеиновых кислот. 21 (6): 1496. Дои:10.1093 / nar / 21.6.1496. ЧВК  309344. PMID  8464748.
  7. ^ Риаз, S; Sui, Z; Niaz, Z; Хан, S; Лю, Y; Лю, Х (14 декабря 2018 г.). «Отличительные ядерные особенности динофлагеллят с особым вниманием к гистонам и белкам, замещающим гистоны». Микроорганизмы. 6 (4): 128. Дои:10.3390 / микроорганизмы6040128. ЧВК  6313786. PMID  30558155.
  8. ^ Drlica K, Rouviere-Yaniv J (сентябрь 1987 г.). «Гистоноподобные белки бактерий». Микробиологические обзоры. 51 (3): 301–19. Дои:10.1128 / MMBR.51.3.301-319.1987. ЧВК  373113. PMID  3118156.
  9. ^ Витте Г., Урбанке С., Курт У. (август 2003 г.). "Хи-субъединица ДНК-полимеразы III связывает одноцепочечный ДНК-связывающий белок с бактериальным механизмом репликации". Исследования нуклеиновых кислот. 31 (15): 4434–40. Дои:10.1093 / нар / gkg498. ЧВК  169888. PMID  12888503.
  10. ^ Дорман, Чарльз Дж; Дейган, Падрейг (2003-04-01). «Регулирование экспрессии генов гистоноподобными белками в бактериях». Текущее мнение в области генетики и развития. 13 (2): 179–184. Дои:10.1016 / S0959-437X (03) 00025-X. PMID  12672495.
  11. ^ Шредер О., Вагнер Р. (май 2000 г.). «Бактериальный ДНК-связывающий белок H-NS подавляет транскрипцию рибосомной РНК, улавливая РНК-полимеразу в инициирующем комплексе». Журнал молекулярной биологии. 298 (5): 737–48. Дои:10.1006 / jmbi.2000.3708. PMID  10801345.
  12. ^ Serban D, Arcineigas SF, Vorgias CE, Thomas GJ (апрель 2003 г.). «Структура и динамика ДНК-связывающего белка HU B. stearothermophilus, исследованные методами комбинационного рассеяния света и ультрафиолетового резонанса». Белковая наука. 12 (4): 861–70. Дои:10.1110 / пс. 0234103. ЧВК  2323852. PMID  12649443.
  13. ^ Баландина А., Камашев Д., Рувьер-Янив Дж. (Август 2002 г.). «Бактериальный гистоноподобный белок HU специфически распознает подобные структуры во всех нуклеиновых кислотах. ДНК, РНК и их гибридах».. Журнал биологической химии. 277 (31): 27622–8. Дои:10.1074 / jbc.M201978200. PMID  12006568.
  14. ^ Баландина А., Кларет Л., Хенгге-Аронис Р., Рувьер-Янив Дж. (Февраль 2001 г.). «Гистоноподобный белок Escherichia coli HU регулирует трансляцию rpoS». Молекулярная микробиология. 39 (4): 1069–79. Дои:10.1046 / j.1365-2958.2001.02305.x. PMID  11251825.
  15. ^ Диллон СК, Дорман Си Джей (март 2010 г.). «Бактериальные нуклеоид-ассоциированные белки, структура нуклеоида и экспрессия генов». Обзоры природы. Микробиология. 8 (3): 185–95. Дои:10.1038 / nrmicro2261. PMID  20140026. S2CID  33103160.
  16. ^ Нуньес Дж. К., Бай Л., Харрингтон Л. Б., Хиндер Т. Л., Дудна Дж. А. (июнь 2016 г.). «Иммунологическая память CRISPR требует наличия фактора хозяина для специфичности». Молекулярная клетка. 62 (6): 824–833. Дои:10.1016 / j.molcel.2016.04.027. PMID  27211867.
  17. ^ Лин Дж, Чен Х, Дрёге П., Ян Дж (2012). «Физическая организация ДНК множественными неспецифическими ДНК-связывающими способами интеграционного фактора хозяина (IHF)». PLOS ONE. 7 (11): e49885. Дои:10.1371 / journal.pone.0049885. ЧВК  3498176. PMID  23166787.
  18. ^ Нуньес Дж. К., Бай Л., Харрингтон Л. Б., Хиндер Т. Л., Дудна Дж. А. (июнь 2016 г.). «Иммунологическая память CRISPR требует наличия фактора хозяина для специфичности». Молекулярная клетка. 62 (6): 824–833. Дои:10.1016 / j.molcel.2016.04.027. PMID  27211867.
  19. ^ Сорек Р., Лоуренс К.М., Виденхефт Б. (2013). «CRISPR-опосредованная адаптивная иммунная система бактерий и архей». Ежегодный обзор биохимии. 82 (1): 237–66. Дои:10.1146 / annurev-biochem-072911-172315. PMID  23495939.
  20. ^ Ким Э.А., Блэр Д.Ф. (октябрь 2015 г.). «Функция гистоноподобного белка H-NS в подвижности Escherichia coli: множественные регулирующие роли, а не прямое действие на жгутиковый мотор». Журнал бактериологии. 197 (19): 3110–20. Дои:10.1128 / JB.00309-15. ЧВК  4560294. PMID  26195595.
  21. ^ Брюне Ю.Р., Ходр А., Логгер Л., Оссель Л., Миньо Т., Римский С., Каскалес Е. (июль 2015 г.). "H-NS Заглушение 6-закодированной системы секреции сальмонелл на острове патогенности типа VI ограничивает межбактериальное уничтожение Salmonella enterica Serovar Typhimurium". Инфекция и иммунитет. 83 (7): 2738–50. Дои:10.1128 / IAI.00198-15. ЧВК  4468533. PMID  25916986.
Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и ИнтерПро: IPR000119