Поділ ДНК зв'язуючих білків по їх структурі

У різних білках ДНК-зв'язуючих білків часом зустрічаються схожі структурні елементи. За цією ознакою виділяють декілька родин таких білків. Проте потрібно відмітити, що не кожен ДНК-зв'язуючий білок вдається віднести до тої або іншої родини.

а) Білки, що містять мотив "спіраль-поворот-спіраль".

У цих білках (див.мал.) ДНК-впізнаваюча ділянка (складає невелику частину білку) включає дві α-спіралі, сполучених петлею. З них одна спіраль безпосередньо зв’язується з ДНК, специфічно взаємодіючи з визначеною послідовністю нуклеотидних пар.

У білці - дві однакові субодиниці, які одновре­менно беруть участь у взаємодії з ДНК. Це є можливим завдяки тому, що відповідна нуклеотидна послідовність ДНК є паліндромною, тобто, з урахуванням полярності ланцюгів, читається однаково з обох боків. (З паліндромами ми вже стикалися)

Особливо поширені подібні білки у прокаріот: маються на увазі білки-репресори.

Нижченаведені ж родини білків характерні, мабуть, лише для еукаріот.

б) Білки, що містять гомеодомени.

Ці білки продукти т. з. гомейотичних генів еукаріот, тобто генів, відповідальних за ембріональний розвиток.

За допомогою цих білків здійснюється керування розвитку шляхом включення одних і виключення інших генів.

Відмінна риса цих білків - наявність в них однотипних доменів, які називаються (по функції кодуючих генів) гомеодоменами (див.мал.).

Як відомо, домени - це фрагменти білкової субодиниці, що мають відносно самостійну третинну структуру. Іншими словами, в цьому випадку єдиний поліпептидний ланцюг при згортанні в третинну структуру утворює не одну велику, а дещо дрібніших глобулоподоб-них ділянок, пов'язаних між собою "лінкерними" ділянкими ланцюга.

Доменна організація зустрічається тільки у досить великих субодиниць (білків) - містять не менше 200 амінокислотних залишків. Фрагменти гена, що кодують різні домени білку, обов'язково розділені інтронами, тобто представляють собою різні екзони.

У разі гомейотических генів такі екзони називаються гомеобоксами.Отже, гомеобокс - це екзон гомейотичного гена, кодуючий гомеодомен відповідного білку.

Гомеодомен утворений приблизно 60 амінокислотними залишками. По структурі ж він нагадує белки-репресори прокаріот, тобто теж має мотив "спіраль-поворот-спіраль". І так само одна з α-спиралей цього мотиву специфічно взаємодіє з певними ділянками ДНК.

Гомеодомени різних білків цієї родини дуже схожі один з одним, що свідчить про спільність їх походження. Можливо, вони дійсно пішли від білків-репресорів прокаріот. Але при цьому кожен з гомеобілків робить дію не на окремий оперон, а на набагато більшу сукупність генів.

Дійсно, в процесі розвитку відбуваються масштабні зміни просторової структури великих фрагментів хромосом. Якісь з цих фрагментів переходять в стан гетерохроматину, інші - навпаки, в стан еухроматина.

Між іншим, звідси витікає, що і в гетерохроматині мають бути послідовності ДНК, доступні для впізнавання гомеодоменними білками.

в) Білки, що містять "цинкові пальці".

Білки цієї родини мають пальцеподібні структури (див.мал.). Кожна з останніх стабілізована атомом цинка, який утворює чотири координаційні зв'язки з двома залишками цистеїну і двома залишками гістидину пептидного ланцюга.

На зовнішній поверхні "пальця" знаходиться α-спіраль, що специфічно дізнається певну послідовність нуклеотидних пар ДНК.

Кількість "пальців" у різних білків неоднакова і сягає декількох десятків.

До цієї родини відносяться більшість регуляторних білок еукаріот. У тому числі - внутрішньоклітинні білки-рецептори стероїдних гормонів. Зв'язавши відповідний гормон, далі такий рецептор взаємнодіє "цинковими пальцями" з "своїм" енхансером у складі ДНК, що змінює транскрипційну активність певних генів.

г) Білки, що містять лейцинову"застібку".

Ці білки (див.мал.) складаються з двох субодиниць, але останні можуть відрізнятися один від одного.

Головна особливість полягає в способі з'єднання субодиниць один з одним - це, в основному, гідрофобні зв'язки між залишками лейцину.

У ділянці ж зв'язування з ДНК білок багатий основними амінокислотами - аргініном і лізином. Це свідчить про те, що у взаємодії з ДНК важливе не стільки специфичне упізнавання білком певних послідовностей нуклеотидних пар (якщо таке взагалі має місце), скільки замикання іонних зв'язків з фосфатними групами ДНК.

За рахунок чого ж білок специфічно взаємодіє з потрібною ділянкою ДНК? Мабуть, усе визначається частково трьохмер­ною структурою цієї ділянки, а головне його білковим оточенням. Інакше кажучи, білок, що зв'язується, органічно впи­сується в ту просторову структуру (створювану макромолекулами), яка є в районі даного локуса ДНК. Іонні ж зв'язки просто закріплюють результат цього "вписування ".

До цієї родини відноситься більшість транскрипційнних чинників еукаріот. Тобто ті самі білки, які, як ми знаємо, взаємодіючи з ДНК, одночасно утворюють складні комплекси один з одним.

Як і гомеодоменні білки, дані білки, теж мають бактерійні "прототипи" - наприклад, Димерний білок САР (білковий активатор катаболізму).

Вищесказане підводить до наступного припущення. Чим тонша регуляція (тобто чим менше її масштаб або чим менше у регуляторного білку генів-мішеней), тим більше значення має просторова структура регульованої ділянки хромосоми.

Загальні чинники транскрипції

Тепер познайомимося з деякими конкретними уявленнями про чинники транскрипцій і репресорів. Почнемо із загальних чинників транскрипції.

Як відзначалося, це такі чинники транскрипцій, які потрібні для зв'язування РНК-полімерази з промотором, причому які самі теж взаємодіють з промотором.

Ми вже згадували, що у складі промоторів є деякі характерні послідовності нуклеотидних пар, названі боксами. Найчастіше (у 80 % промоторів еукаріот) зустрічається ТАТА-бокс; дещо рідше - ГЦ-, ЦААТ-и інші бокси. Черговість їх розташування в різних промоторах неоднакова: в одних випадках ГЦ-бокс передує ТАТА-боксу (як показано на мал), в інших - навпаки, слідує після нього.

У області ТАТА-боксу з промотором спочатку зв'язується т. з. ТВР-білок (від TATA - Binding Protein). Це ініціює приєднання декількох (восьми або більш) TAF -белков (від ТВР- Associated Factors).

Ці білки - ТВР і TAF - і називаються загальними факторами транскрипції, оскільки присутні в усіх клітинах і абсолютно необхідні для транскрипції більшості генів.

Комплекс цих білків коротко позначають TFIID (Transcriptional Factor D for polymerase II). З позначення слідує, що ці білки потрібні для зв'язування з промотором рНК-полімерази II. Разом з нею сукупність усіх цих білків, пов'язана з промотором, називається основним ініціаторним комплексом.

Якщо ж ген транскрибується РНК-полімеразою I або III, його промотор містить замість ТАТА-боксу іншу послідовність і використовуються інші чинники транскрипції.

Окрім загальних чинників, для ефективної роботи гена потрібні і інші білки. Так, з ГЦ-боксом промотора зв’язується Spl-білок, з ЦААТ-боксом - ще один білок. Відомі і такі транскрипції коактиватори, як білки СВР і р300. Комплекс р300/СВР ацетилює гістони. Можливо, це сприяє витісненню з промоторної області ДНК нуклеосом і тим самим забезпечує саму можливість формування основного ініціаторного комплексу.

Більш тонша регуляція активності гена здійснюється іншими чинниками транскрипцій - тими, які зв'язуються поза промотором, тобто з енхансерами.