Proteína de ligação ao DNA - DNA-binding protein

Complexo de proteína Cro com DNA
Interação de DNA (laranja) com histonas (azul). Os aminoácidos básicos dessas proteínas ligam-se aos grupos fosfatos ácidos do DNA.
O fator de transcrição da hélice-volta-hélice do repressor lambda ligado ao seu alvo de DNA
A enzima de restrição EcoRV (verde) em um complexo com seu DNA substrato

As proteínas de ligação ao DNA são proteínas que possuem domínios de ligação ao DNA e, portanto, possuem uma afinidade específica ou geral para o DNA de fita simples ou dupla . As proteínas de ligação ao DNA específicas da sequência geralmente interagem com o sulco principal do B-DNA , porque expõe grupos mais funcionais que identificam um par de bases . No entanto, existem alguns ligantes de ligação a DNA de sulco menor conhecidos , como netropsina , distamicina , Hoechst 33258 , pentamidina , DAPI e outros.

Exemplos

As proteínas de ligação ao DNA incluem fatores de transcrição que modulam o processo de transcrição, várias polimerases , nucleases que clivam as moléculas de DNA e histonas que estão envolvidas no empacotamento cromossômico e na transcrição no núcleo da célula . As proteínas de ligação ao DNA podem incorporar domínios como o dedo de zinco , a hélice-volta-hélice e o zíper de leucina (entre muitos outros) que facilitam a ligação ao ácido nucleico. Existem também exemplos mais incomuns, como ativadores de transcrição como efetores .

Interações não específicas de DNA-proteína

As proteínas estruturais que se ligam ao DNA são exemplos bem conhecidos de interações DNA-proteína não específicas. Dentro dos cromossomos, o DNA é mantido em complexos com proteínas estruturais. Essas proteínas organizam o DNA em uma estrutura compacta chamada cromatina . Nos eucariotos , essa estrutura envolve a ligação do DNA a um complexo de pequenas proteínas básicas chamadas histonas . Em procariotos , vários tipos de proteínas estão envolvidos. As histonas formam um complexo em forma de disco chamado nucleossomo , que contém duas voltas completas de DNA de fita dupla enroladas em sua superfície. Essas interações não específicas são formadas por meio de resíduos básicos nas histonas que fazem ligações iônicas ao esqueleto ácido-fosfato do DNA e, portanto, são amplamente independentes da sequência de bases. As modificações químicas desses resíduos de aminoácidos básicos incluem metilação , fosforilação e acetilação . Essas mudanças químicas alteram a força da interação entre o DNA e as histonas, tornando o DNA mais ou menos acessível aos fatores de transcrição e alterando a taxa de transcrição. Outras proteínas de ligação ao DNA não específicas na cromatina incluem as proteínas do grupo de alta mobilidade (HMG), que se ligam ao DNA dobrado ou distorcido. Estudos biofísicos mostram que essas proteínas HMG arquitetônicas se ligam, dobram e se enrolam no DNA para realizar suas funções biológicas. Essas proteínas são importantes para dobrar arranjos de nucleossomos e organizá-los nas estruturas maiores que formam os cromossomos.

Proteínas que se ligam especificamente ao DNA de fita simples

Mais informações: Proteína de ligação de fita simples

Um grupo distinto de proteínas de ligação ao DNA são as proteínas de ligação ao DNA que se ligam especificamente ao DNA de fita simples. Em humanos, a proteína de replicação A é o membro desta família mais bem compreendido e é usada em processos em que a dupla hélice é separada, incluindo replicação de DNA, recombinação e reparo de DNA. Essas proteínas de ligação parecem estabilizar o DNA de fita simples e protegê-lo da formação de laços de haste ou de sua degradação por nucleases .

Ligação a sequências de DNA específicas

Em contraste, outras proteínas evoluíram para se ligar a sequências de DNA específicas. O mais intensamente estudado deles são os vários fatores de transcrição , que são proteínas que regulam a transcrição. Cada fator de transcrição se liga a um conjunto específico de sequências de DNA e ativa ou inibe a transcrição de genes que possuem essas sequências próximas de seus promotores. Os fatores de transcrição fazem isso de duas maneiras. Em primeiro lugar, eles podem ligar a RNA polimerase responsável pela transcrição, diretamente ou através de outras proteínas mediadoras; isso localiza a polimerase no promotor e permite que ela comece a transcrição. Alternativamente, os fatores de transcrição podem ligar enzimas que modificam as histonas no promotor. Isso altera a acessibilidade do molde de DNA à polimerase.

Esses alvos de DNA podem ocorrer em todo o genoma de um organismo. Assim, mudanças na atividade de um tipo de fator de transcrição podem afetar milhares de genes. Assim, essas proteínas são frequentemente os alvos dos processos de transdução de sinal que controlam as respostas às mudanças ambientais ou diferenciação e desenvolvimento celular . A especificidade das interações desses fatores de transcrição com o DNA vem das proteínas que fazem múltiplos contatos com as bordas das bases do DNA, permitindo-lhes ler a sequência do DNA. A maioria dessas interações de base são feitas no sulco principal, onde as bases são mais acessíveis. As descrições matemáticas da ligação proteína-DNA levando em consideração a especificidade da sequência e a ligação competitiva e cooperativa de proteínas de diferentes tipos são geralmente realizadas com a ajuda de modelos de rede . Métodos computacionais para identificar a especificidade da sequência de ligação ao DNA têm sido propostos para fazer um bom uso dos dados de sequência abundantes na era pós-genômica.

Interações proteína-DNA

As interações proteína-DNA ocorrem quando uma proteína se liga a uma molécula de DNA , geralmente para regular a função biológica do DNA, geralmente a expressão de um gene . Entre as proteínas que se ligam ao DNA estão os fatores de transcrição que ativam ou reprimem a expressão gênica pela ligação a motivos do DNA e histonas que fazem parte da estrutura do DNA e se ligam a ele de forma menos específica. Além disso, proteínas que reparam o DNA , como a uracila-DNA glicosilase, interagem intimamente com ele.

Em geral, as proteínas se ligam ao DNA no sulco principal ; no entanto, existem exceções. As interações proteína-DNA são principalmente de dois tipos, interação específica ou interação não específica. Experimentos recentes de uma única molécula mostraram que as proteínas de ligação ao DNA sofrem uma rápida religação para se ligarem na orientação correta para o reconhecimento do sítio alvo.

Projeto

Projetar proteínas de ligação ao DNA que tenham um local de ligação ao DNA especificado tem sido um objetivo importante para a biotecnologia. As proteínas de dedo de zinco foram projetadas para se ligar a sequências de DNA específicas e esta é a base das nucleases de dedo de zinco . Recentemente, foram criadas nucleases efetoras semelhantes a ativadores de transcrição (TALENs), que são baseadas em proteínas naturais secretadas por bactérias Xanthomonas por meio de seu sistema de secreção tipo III quando infectam várias espécies de plantas .

Métodos de detecção

Existem muitas técnicas in vitro e in vivo que são úteis na detecção de interações DNA-proteína. A seguir estão listados alguns métodos atualmente em uso: Ensaio de mudança de mobilidade eletroforética (EMSA) é uma técnica qualitativa amplamente difundida para estudar as interações proteína-DNA de proteínas de ligação de DNA conhecidas. Interação DNA-proteína - Enzyme-Linked ImmunoSorbant Assay (DPI-ELISA) permite a análise qualitativa e quantitativa das preferências de ligação a DNA de proteínas conhecidas in vitro . Esta técnica permite a análise de complexos de proteínas que se ligam ao DNA (DPI-Recruitment-ELISA) ou é adequada para a triagem automatizada de várias sondas de nucleotídeos devido ao seu formato de placa ELISA padrão. O ensaio de pegada da DNase pode ser usado para identificar os locais específicos de ligação de uma proteína ao DNA na resolução do par de bases. A imunoprecipitação da cromatina é usada para identificar as regiões alvo do DNA in vivo de um fator de transcrição conhecido. Essa técnica quando combinada com o sequenciamento de alto rendimento é conhecida como ChIP-Seq e quando combinada com microarrays é conhecida como ChIP-chip . O sistema de um híbrido de levedura (Y1H) é usado para identificar qual proteína se liga a um fragmento de DNA específico. O sistema bacteriano de um híbrido (B1H) é usado para identificar qual proteína se liga a um fragmento de DNA específico. A determinação da estrutura usando cristalografia de raios-X tem sido usada para dar uma visão atômica altamente detalhada das interações proteína-DNA. Além desses métodos, outras técnicas, como SELEX, PBM (microarrays de ligação de proteínas), telas de microarranjos de DNA, DamID, FAIRE ou mais recentemente DAP-seq, são utilizadas em laboratório para investigar a interação DNA-proteína in vivo e in vitro .

Manipulando as interações

As interações proteína-DNA podem ser moduladas usando estímulos como força iônica do buffer, aglomeração macromolecular, temperatura, pH e campo elétrico. Isso pode levar à dissociação / associação reversível do complexo proteína-DNA.

Veja também

Referências

links externos