(DNA-)proteinové komplexy
Bi7015 - Chemické vlastnosti, struktura a interakce nukleových kyselin (doc. Fojta)
DNA-proteinové komplexy
Komplexy spojené s transkripcí (až 5% genomu)
Komplexy spojené s duplikací genomu
Komplexy podílející se na opravě genomu
Chromatinové strukturní komplexy
http://npidb.belozersky.msu.ru/ 5000 struktur v PDB (v roce 2014)
G
E
N
O
M
Tvarová a nábojová specifita DNA determinuje typy DNAvazebných
domén (oproti velké rozmanitosti protein-proteinových
interakčních domén)
- proteiny interagují s cukrfosfátovou
kostrou (fosfát) nebo přes žlábky s
bazemi (vod. vazba, tvar šroubovice)
- Interakce sekvenčně nespecifické
(kostra – histony; strukturně specifické
- HMG proteiny) nebo sekvenčně
specifické (kostra+žlábky –
kombinace: BglII (AGATCT) a BamHI
(GGATCC) kontaktují stejné báze a
„čtou“ zakřivení okolní DNA …)
„shape readout“
zakřivení kostry souvisí se sekvencí
B-DNA ELIXIR: DNATCO.ORG: Cerny et al, NAR, 2016
„shape readout“
zakřivení kostry - souvisí se sekvencí a prostředím Rohs et al, Annu Rev Bioch, 2010
+ triplex,
kvadruplex …
Vazba DNA-protein může indukovat
změny
- vazba proteinu může indukovat změny ve struktuře DNA
- vazba DNA na protein často indukuje změny v jeho struktuře
- případně u nestrukturovaných proteinů strukturu indukuje (cJun/c-Fos
= šroubovice až po navázání dimeru na DNA)
1jj4 (… např. histony) 2kei, Lac represor
(Leu do malého žlábku)
Rohs et al, Annu Rev Bioch, 2010
Vazba proteinů s DNA prostřednictvím
solných můstků• fosfáty mohou interagovat s
Arg a Lys – solné
můstky/salt bridges
(pozitivní náboje Arg a Lys
vytváří vazbu s negativním
nábojem fosfátové skupiny)
• Elektrostatický náboj/povrch
naznačuje vazebné
schopnosti proteinu
Gajiwala & Burley, COiSB, 2000
Minor groove Minor grooveMajor groove Major groove
sekvenčně-specifický protein kontaktuje báze („direct“
readout) – skrze velký nebo malý žlábek – velký žlábek je
lépe přístupný – vodíkové vazby (donor vs akceptor elektronu)
DAA mADA
Jak odliší
protein různé
páry bazí?
“base readout”
Pozice donor vs
akceptor
+ metyl skupina
metylace Ade u
bakterií změna!
AAD ADA
CH3
AAD
ADAm
Vazba proteinů s DNA
prostřednictvím vodíkových vazeb
• Velký žlábek má velikost
odpovídající rozměrům αšroubovice
a má
exponované H-vazebné
skupiny
• Ade zbytky C-6(NH2) a N-7
mohou tvořit specifické
vodíkové vazby s Gln a Asn
• Gua může tvořit specifické
vodíkové vazby s Arg
Silná vazba, sekvenčně specifická - afinita nM – µM
Slabá vazba, strukturně specifická - afinita µM – mM
Rohs et al, Annu Rev Bioch, 2010
- více jak 70 SCOP superrodin (strukturních motivů)
- dle sekundárních struktur – α-šroubovice (17), β-listy (7),
smíšené α/β motivy (48)
přes aromatické AMK
(base stacking)
+ triplex, kvadruplex …
Motivy DNA-vazebných domén
• Zipper typ
– Leucinový zip
– Helix-loop-helix
• Helix-otáčka-helix
– HTH
– Winged helix
– TALE
• Zinkový prst
– ββα zinc-finger
– Hormon-receptor
– Loop-sheet-helix
– Gal4
• Histon, HMG-box
• β-sheet motivy
α-šroubovice
β-listy
Luscombe et al, Genome Biology, 2000
Motivy DNA vazebných domén
• Zipper typ (dle způsobu dimerizace)
– Leucinový zip (tzv. bZIP = basic)
(transkr. fakt. yGCN4, c-Jun/c-Fos=AP-1)
• 2 α-šroubovice
• coiled-coil (>30AMK, Leu, C-term)
• bazická část (N-terminus, navazuje na CC)
• bazická šroubovice vázána do VŽ
Interakce bazických AMK: Arg(232+240)=PO4, Arg(243)=Gua
Konsensus sekvence: TGACTCA
GCN4 – regulace genů pro syntézu AMK PDB: 1YSA
1YSA
1YSA
Jonesaspol.,NAR,2003
NUCPLOT
Konsensus sekvence: TGACTCA
GCN4
Efferl&Wagner,NRC,2003
Wikipedie
AP-1
Kombinace – různá specifita/afinita
homo/hetero
heterodimery
Motivy DNA-vazebných domén
• Zipper typ (dle způsobu dimerizace)
– Leucinový zip (tzv. bZIP = basic –
transcr. fact. yGCN4, c-Jun/c-Fos)
• 2 α-helixy (2 x 60 AMK)
• coiled-coil (30AMK, Leu, C-term)
• basická část (N-terminus, navazuje na CC)
• bazická šroubovice vázána do VŽ
– Helix-loop-helix (c-Myc/Max, MyoD)
• CC a bazické části jsou odděleny smyčkou
• bazická šroubovice vázána do VŽ
• smyčka poskytuje větší flexibilitu pro vazbu
šroubovice-smyčka-šroubovice
Motivy DNA vazebných domén
• Zipper typ
– Leucinový zip
– Helix-loop-helix
• Helix-otáčka-helix
– HTH
– Winged helix
– TALE
• Zinkový prst
– ββα zinc-finger
– Hormon-receptor
– Loop-sheet-helix
– Gal4
α-šroubovice
• Obsahuje vzájemně kolmé
šroubovice
α-helix pro vazbu na DNA
(„recognition“) - β-obrátka –
druhá šroubovice
Sekvenčně-specifická vazba
prostřednictvím „recognition“
šroubovice a velkého žlábku
nejčastější motiv u prokaryot homodimery
vážou
palindromatické sekvence
HTH motiv se obvykle vyskytuje
ve svazku 3-6 šroubovic
(stabilizovaných hydrofobním
jádrem)
motiv může být buď součástí
hlavního proteinu (Cro) nebo z
něj může pouze vybíhat (LacI)
Helix-turn-helix motiv (HTH)
Luscombe et al, Genome Biology, 2000
AMK motiv: KDRWR
DNA sekvence: TTAGGG (komplementární: CCCTAA)
TRF2 (myb) doména – vazba na telomery (Shelterin komplex) PDB: 1W0U
„Winged“ helix (okřídlená šroubovice)
Gajiwala & Burley, COiSB, 2000
Luscombe et al, Genome Biology, 2000
- „winged“ HTH obsahuje „recognition“ šroubovici (H3) a β-listy,
které poskytují další kontakty s DNA (smíšený α/β typ)
Méně často křídlo ve VŽ a cukr-fosfátová kostra se šroubovicí (hRFX1)
HTH
wing
Interakce bazí se šroubovicí (H3) a křídla s cukr-fosfátovou kostrou
Méně často křídlo ve VŽ a cukr-fosfátová kostra se šroubovicí (hRFX1)
PDB:1BC8,SAP-1
Histon H1/H5 interaguje s DNA vybíhající z
nukleosomů (kompaktnější struktura) – WH
doména může vytvářet více kontaktů
(intergaují: H2, H3 i křídlo s 3 DNA řetězci)
PDB:5NL0
PthXo1
23 repetic obtáčí DNA ve VŽ
Mak et al, Science, 2012TALEN technologie
Transcription activator-like effectors (TALE)
Patogenní bakterie injikují do rostlinných buněk
ovlivňují transkripci hostitelských rostlinných promotorů
Interaguje otáčka/turn spíše než šroubovice, PDB: 3V6T
Tandemové repetice (34)
AMK v pozicích 12 a 13
určují specifitu (repeatvariable
diresidue) –
hlavní:
HD, NG, NI, NN,
NS, HG
Mak et al, Science, 2012
Interaguje otáčka/turn
spíše než šroubovice
Motivy DNA-vazebných domén
• Zipper typ
– Leucinový zip
– Helix-loop-helix
• Helix-otáčka-helix
– HTH
– Winged helix
– TALE
• Zinkový motiv
– ββα zinc-finger
– Hormon-receptor
– Loop-sheet-helix
– Gal4
α-šroubovice
Zinc-finger/Zinkový prst
- cca 30 AMK ve dvou krátkých antiparalelních β-listech
a α-šroubovici
- smyčka („hairpin“) stabilizovaná („crosslinked“) Zn2+ koordinovaný
4xCys nebo 2xCys + 2xHis (tetraedrická
struktura)
C2H2 motiv:
Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His
Zinc-finger/Zinkový prst
- cca 30 AMK ve dvou krátkých antiparalelních β-listech
a α-šroubovici
- smyčka („hairpin“) stabilizovaná („crosslinked“) Zn2+ koordinovaný
4xCys nebo 2xCys + 2xHis (tetraedrická
struktura)
C2H2 motiv:
Cys-X2-4-Cys-X3-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His
- 3x v Zif268, PDB=1zaa
- α-šroubovice se váže do VŽ
- v tandemu obtáčí VŽ
- AMK na pozici 0 – 6; variancemi AMK
=> sekvenční specifita
- AMK na pozici 0 – 6; variancemi AMK v těchto pozicích lze
dosáhnout různé sekvenční specifity
− α-šroubovice váže 2, 3 nebo 4 sousední páry bazí
- nejčastější jsou kontakty
Gua-Arg
- Gua se může vázat i na His,
Lys, Ser
- Ser se může vázat na T či A
Zif268
- Dobře charakterizované DNA-proteinové kontakty –je známá
specifita ZFs pro všech 64 možných kombinací 3 sousedních bp
- Lze pro specifickou sekvenci DNA poskládat ZFs – nová
technologie „zinc nuclease“ pro genové manipulace
http://zf.princeton.edu
PersikovaSingh,NAR,2014
„genome editing“
- Dobře charakterizované DNA-proteinové kontakty –je známá
specifita ZFs pro všech 64 možných kombinací 3 sousedních bp
- Lze pro specifickou sekvenci DNA poskládat ZFs – nová
technologie „zinc nuclease“ pro genové manipulace
Transcription activator-like
Perez-Pineraaspol.,COiCB,2012
šroubovice ve VŽ
64 variant pro všechny triplety
otáčka ve VŽ
2 AMK na 1 bázi
- CTCF obsahuje 11 zinkových prstů – k vazbě na DNA používá
v různých org. různé kombinace ZF
Ohlsson a spol., TiG, 2001
CTCF
- CTCF (zkratka z CCCTC factor)
- izolátor/insulator brání transkripci …
Braccioli a spol., Ess in Bioch, 2019
CTCF
- CTCF interaguje s kohesinem a vytváří TAD (topologicky
asociované domény)
- sousední domény jsou „ nezávislé“ (izolované)
Cremer a Cremer, GCC, 2019
izolátory
Loop-sheet-helix
- smyčky vycházející mimo
hlavní core doménu – vyčnívá
β-list a α-šroubovice
- 3 Cys a 1His koordinují Zn
- helix ve velkém žlábku a
smyčka v malém žlábku
- Aktivace transkripce skrze
kyselou TA doménu
- core/DNA-vazebná doména p53 – transkripční faktor důležitý
pro regulaci buněčného cyklu, apoptozy a opravy poškozené
DNA (nádorový supresor)
TFIID,TFIIH - transkripce
MDM2/MDM4 - ubi
Loop-sheet-helix
- Konsensus sekvence
PuPuPuC(A/T)(T/A)GPyPyPy
(v promotorech p21, PUMA)
- 95% “nádorových” mutací je v
„core“ doméně (R273H)
- Regulace/aktivace modifkací
C-koncové domény
Protein se váže jako tetramer
(C-koncová doména)
- core/DNA-vazebná doména p53 – transkripční faktor důležitý
pro regulaci buněčného cyklu, apoptozy a opravy poškozené
DNA (nádorový supresor)
Gal4
- 2 α-šroubovice
- 6 Cys koordinuje 2 Zn (2 Cys
sdílené 2 Zn)
- 1. šroubovice ve velkém
žlábku a smyčka k 2.
šroubovici kontaktuje cukrfosfátovou
kostrou
- Dimerizuje přes krátký CC
segment
Marmortstein et al.: Nature, 1992
- transkripční faktor reguluje v kvasinkách metabolismus
galaktosy (kvasinkový dvou-hybridní systém)
Gal4
PDB: 1D66
Motivy DNA vazebných domén
• Zipper typ
– Leucinový zip
– Helix-loop-helix
• Helix-otáčka-helix
– HTH
– Winged helix
– TALE
• Zinkový prst
– ββα zinc-finger
– Hormon-receptor
– Loop-sheet-helix
– Gal4
Transkripce …
Kombinace více proteinů …
Vliv chromatinu …
IFN-β enhanceosom
Efferl & Wagner, NRC, 2003
Wikipedie
IFN-β enhanceosom
integrace různých signálů
IFN-β enhanceosomAP-1 NF-κB
Panne et al, Cell, 2008
Panne, CO in SB, 2008
- jeden z nejlépe popsaných enhancerů u vyšších eukaryot – induk. viry
- sekvence -102 až -47 básí upstream od počátku transkripce
- TF pokrývají 72% povrchu DNA (těsné sbalení DB-domén) – málo PPI
- nicméně vazba 8 proteinů je koordinovaná (AP-1, IRF-3, IRF-7, NF-kB)
transkripce
c-Jun
ATF-2
AP-1 Activator Protein = b-ZIP (basic leucine zipper)
IFN-β enhanceosom
http://www.rcsb.org/pdb/101/motm.do?momID=122
AP-1 leucin zipper, IRF – podobný WHD (směs), NFkB – komplexní motiv
červené tečky – molekuly vody
- TF obsahují aktivační doménu – na AD se važe mediator komplex –
integruje/propojí TF – zprostředkuje vazbu s RNA polymerasou - iniciaci transkripce
mediator
Boijaetal,Cell,2018
Tuttleetal,CellRep,2018