14.Сутність та біологічне значення функціональних зв'язків між білками та нуклеїновими кислотами

Так само, як більшість глобулярних білків можна вписати в обмежений набір стандартних укладок глобули , структурні елементи білків, які безпосередньо взаємодіють з ДНК, можна розділити на досить обмежену кількість стандартних типів – ДНК-зв'язувальних структурних мотивів.

Мотив НТН (helix-turn-helix, спіраль–поворот–спіраль), приклад є найбільш розповсюдженим. Мотив складається із двох α-спіралей, часто майже перпендикулярних одна до одної, з'єднаних короткою перемичкою. Одна із цих спіралей (яка впізнає) виконує роль “головки, що читає”, взаємодіючи з екзоциклічними групами азотистих основ у великому жолобку подвійної спіралі. Орієнтація цієї спіралі відносно ДНК може варіювати для різних білків від приблизно перпендикулярної відносно осі подвійної спіралі допаралельної цукрофосфатному остову. Друга α-спіраль часто утворює допоміжні контакти з цукрофосфатним остовом. Взаємодія α-спіралі з великим жолобком часто зустрічається і для інших ДНК-зв'язувальних мотивів. Причина полягає в майже точній просторовій відповідності між цими двома елементами – можна сказати, що α-спіраль

є просторово комплементарною великому жолобку.

Двоспіральний НТН-мотив утримується в структурі того чи іншого структурного домену – у випадку репресора фага λ, у структурі α-спірального пучка Часто білки, що містять НТН-мотив, взаємодіють з ДНК у вигляді гомодимеру (дві однакові субодиниці) –

це особливо характерно для прокаріотичних білків. Тоді дві однакові “читаючі головки” впізнають дві однакові послідовності, що симетрично розташовані в сайті взаємодії.

Інший приклад такого ж типу – катаболітний активаторний білок При взаємодії гомодимеру САР зі специфічним сайтом відбувається досить значний вигин ДНК у бік білка (подвійна спіраль “огортає” білок). Спорідненість білка до цього сайта залежить від ліганду – сАМР (циклічного АМР –5'-фосфат у складі нуклеотиду утворює внутрішній ковалентний зв'язокз 3'-ОН групою рибози). Зв'язування сАМР індукує структурні зміни

в молекулі білка (див. розділ 2), у результаті змінюється робоча поверхня і білок набуває здатності впізнавати специфічну послідовністьРозповсюджений клас білкових мотивів, що взаємодіють із ДНК, –Zn-координуючі мотиви. Це дуже невеличкі структурні елементи, які

складаються з обмеженої, недостатньої для формування жорсткої глобули, кількості сегментів вторинної структури. Іон цинку надає жорсткості такому мотиву, утворюючи координаційні зв'язки з чотирма амінокислотними залишками, частіше Cys або His. Коор-

динаційний зв'язок формується неподіленою парою електронів атомів O, N або S, яка узагальнюється з атомом металу шляхом часткового “перетікання” на його низьку незаповнену орбіталь. Чотири такі зв'язки створюють жорсткий каркас, який утримує білкову поверхню, що має взаємодіяти з ДНК.

Один зі структурних мотивів такого типу, що часто зустрічається, –цинковий палець Він має дуже просту будову:одна α-спіраль і маленький β-шар із двох β-ділянок; одна з них і α-спі-раль містять залишки, що утворюють координаційні зв'язки з Zn. Як правило, кілька таких пальців (три на рис. 3.15, а), з'єднаних перемичкою, спірально обгортають великий жолобок.Інший приклад – ДНК зв'язувальний домен гормонового рецептора

(рис. 3.15, б). Гормонові рецептори – це еукаріотичні фактори транскрипції, здебільшого гомодимери, які набувають споріденості з певними елементами послідовності ДНК після зв'язування з білком стероїдного гормону (розділ 6). ДНК-зв'язувальний домен має дві пари структурних елементів, а саме α-спіраль – суміжна нерегулярна петля, кожна пара координує іон Zn. Одна пара елементів бере участь у димеризації, інша – у взаємодії з ДНК. Зустрічаються також інші Zn-координуючі мотиви, але всі вони, як і розглянуті, реалізують взаємодію α-спіралі з великим жолобком.Ще один мотив, який взаємодіє з великим жолобком ДНК за рахунок α-спіралей – лейциновий зіпер Він являє собою дві довгі α-спіралі, кожну з яких можна розділити на дві частини. Одна частина обох спіралей здійснює димеризацію – за рахунок гідрофобних взаємодій між неполярними амінокислотними залишками (часто Leu, звідки назва мотиву) утворюється трохи закру-

чена подвійна спіраль (coiled coil). Друга частина кожної α-спіралі взаємодіє з великим жолобком ДНК.Варіацією лейцинового зіпера є мотив спіраль – петля – спіраль(helix – loop – helix) – різниця лише в тому, що кожна довга α-спіраль розділена на дві коротші, з'єднані петлею: одна пара спіралей взаємодіє між собою, інша – з ДНК.

Усі випадки взаємодії численних білків із ДНК можна поділити на дві категорії: неспецифічне зв'язування білка з ДНК будь-якої послідовності і специфічне впізнання білком певної послідовності пар основ Білки, що здійснюють таке впізнання, як правило, взаємодіють і з будь-якою іншою ДНК неспецифічно.

Головне правило білково-нуклеїнового впізнання – відсутність жорстких правил.Розглянуті різні структурні мотиви білків є різними еволюційними рішеннями для специфічної взаємодії з тією чи іншою послідовністю: існує багато шляхів для того, щоб сформувати білкову поверхню для впізнання послідовності пар основ. Не існує і будь-якого коду впізнання – чіткої відповідності між амінокислотними залишками та парами основ. Але є певні загальні закономірності, частина яких уже має бути зрозумілою з розгляду ДНК-зв'язувальних структурних мотивів. Зокрема, білково-нуклеїновий інтерфейс частіше представлений парою α-спіраль – великий жолобок завдяки хорошій просторовій

відповідності між цими двома елементами. Проте використовуються також і β-структура, і перемички між елементами вторинної структури для впізнання пар основ у великому жолобку. Маленький жолобок також використовується для впізнання послідовностей пар основ, причому у випадку взаємодії елементів вторинної структури білка (α-спіраль чи β-структура) із маленьким жолобком така взаємодія супроводжується розкриттям маленького жолобка. Таке розкриття стає можливим унаслідок значної деформації подвійної спіралі (розкручування, вигин, кінк у результаті порушення стекінг-взаємодій).На поверхні ДНК розташовані фосфатні залишки та донорні / акцепторні групи азотистих основ у жолобках. Саме ці групи й залучаються до контактів з амінокислотними боковими залишками та пептидними групами на поверхні білка.