Wie erkennen DNA-bindende Proteine ​​die richtigen DNA-Basenpaare?

Es gibt verschiedene Arten von DNA-Bindungsdomänen; diejenigen, die an der Basenidentifizierung in der großen Furche beteiligt sind, können zwischen verschiedenen Basenpaaren derselben Nukleotide, dh AT vs. TA, unterscheiden, da sie an funktionelle Gruppen auf einem Nukleotid und nicht an das Basenpaar per se binden . Die Stereochemie, dh welches Nukleotid in der großen Furche ist, ist wichtig. Auch die Position der Nukleotide in der großen Furche spielt eine Rolle (Abbildung 1).

Abbildung 1: Identifizierung der DNA-Sequenz durch Helix-Turn-Helix-Transkriptionsfaktor. Dies ist der Beispielfall des Engrailed-Proteins in Drosophila . Wiedergabe von Paro und Sauer (1992) ^[1] .

Sie können sehen, dass Adenin anders erkannt wird als Thymin. In vielen Fällen, wie z. B. bei Zinkfingerproteinen (ZF), erfolgt die Sequenzidentifizierung normalerweise für Dinukleotidpaare, sodass jeder Finger (eine modulare Einheit) ein Di-/Trinukleotid identifizieren kann (Abbildung 2,3). Eine Anordnung von Fingern im Fall von ZF und Helices im Fall von Helix-Turn-Helix-Motiven kann einen einzigartigen Abschnitt einer DNA-Sequenz erkennen (der sicherlich einzigartiger ist als einzelne Basenpaare). Normalerweise ist die Bindung der Finger kooperativ, was zu einer erhöhten Affinität und Spezifität der Protein-DNA-Bindung führt ^[2,3]. Ein analoger Mechanismus kann auch für andere Arten von DBD existieren (ich habe nicht speziell danach gesucht). Darüber hinaus oligomerisieren viele DNA-Motiv-bindende Proteine, was wiederum kooperativ ist. Dies erhöht die Spezifität und die gesamte Bindungskinetik wird sigmoidal und schwellenwert (siehe Hill-Kinetik ).

Die Bindungsmechanismen sind am besten für ZF-Proteine ​​bekannt, die zur Entwicklung von Zinkfinger-Nukleasen führten, die eine der ersten modernen Methoden der gezielten Genombearbeitung waren ^[4] (obwohl sie jetzt durch das CRISPR-Cas-System überholt wurden).

Abbildung 2: Identifizierung der DNA-Sequenz durch Zinkfingerproteine. Dieses Beispiel betrachtet das Zif268-Protein. Wiedergabe von Paro und Sauer (1992) ^[1] .

Abbildung 3: Eine detailliertere Darstellung der Zif268-DNA-Interaktion. Reproduziert von Durai et al. (2005) ^[4] .

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Verweise:

1. Pabo, Carl O. und Robert T. Sauer. " Transkriptionsfaktoren: Strukturfamilien und Prinzipien der DNA-Erkennung ." Annual Review of Biochemistry 61.1 (1992): 1053-1095.
2. Krishna, S. Sri, Indraneel Majumdar und Nick V. Grishin. „ Strukturelle Einteilung der Zinkfinger ÜBERSICHT UND ZUSAMMENFASSUNG. “ Nucleic Acids Research 31.2 (2003): 532-550.
3. Lee, Juyong, Jin-Soo Kim und Chaok Seok. „ Kooperativität und Spezifität von Cys2His2-Zinc-Finger-Protein-DNA-Wechselwirkungen: Eine Molekulardynamik-Simulationsstudie. “ The Journal of Physical Chemistry B 114.22 (2010): 7662-7671.
4. Durai, Sundaret al. " Zinkfinger-Nukleasen: kundenspezifische molekulare Scheren für die Genommanipulation von Pflanzen- und Säugetierzellen ." Nucleic acid research 33.18 (2005): 5978-5990.