ДнаА протеіні және бактерияларда ДНК көшірмесінің басталуы
DnaA
Бактерияларда ДНҚ көшіруін бастауға жауапты DnaA протеині туралы мақала. OriC учаскесінде ДНҚ-ның бұралануы, DUE аймақтары мен DnaA байланысы қарастырылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
DnaA – бактерияларда ДНК репликациясының басталуын белсендіретін ақуыз. Репликон моделіне сүйенсек, оң белсенді инициатор молекуласы ДНК-ның репликациясын бастау үшін репликатор деп аталатын дөңгелек хромосоманың нақты бір жерімен байланысады. Бұл репликацияны бастау факторы, ол oriC-де ДНК-ның оралуын ынталандырады. E. coli-дегі oriC-те үш AT-ға бай 13 негіздік жұп аймағы (DUE) бар, одан кейін TTAT(C немесе A)CA(C немесе A)A тізбегін қамтитын төрт 9 негіздік аймақ орналасқан. 9 негіздік аймақтарға шамамен 10 DnaA молекуласы байланады, олар ақуыздардың айналасын орап, AT-ға бай аймақтағы ДНК-ның оралуына себеп болады. DnaA-ның oriC ішінде 8 байланысу орны бар, олармен DnaA әртүрлі байланысу қабілетімен байланысады. ДНК репликациясы басталатын кезде, DnaA жоғары және төмен байланысу қабілетіне ие барлық орындарды иеленеді. AT-ға бай денатурацияланған аймақ DnaB (геликаза) молекуласын тартуға мүмкіндік береді, ол DnaC (геликаза жүктеушісі) молекуласымен кешен құрайды. DnaC геликазаның 13 негіздік аймақтағы бір жіпті ДНК-ға (ssDNA) байланысуына және дұрыс орналасуына көмектеседі; бұл ATP гидролизі арқылы жүзеге асырылады, содан кейін DnaC босатылады. Бір жіпті ДНК-ны тұрақтандырушы ақуыздар (SSB) репликациялық көпіршікті сақтау үшін бір жіпті ДНК жіптерін бекітеді. DnaB – 5'→3' геликаза, сондықтан ол артта қалған жіп бойынша қозғалады. Ол DnaG (примаза) молекуласымен бірігіп, жетекші жіп үшін жалғыз праймерді құрайды және артта қалған жіпке РНК праймерлерін қосады. DnaG және DnaB арасындағы өзара әрекеттесу артта қалған жіптегі Оказаки фрагменттерінің ұзындығын бақылау үшін қажет. Содан кейін ДНК полимераза III ДНК репликациясын бастауға қабілетті болады. DnaA төрт доменнен тұрады: біріншісі – реттеуші ақуыздармен байланысатын N-терминалы, екіншісі – спиральді байланыстырушы аймақ, үшінші домен – ATP-ге байланысатын AAA+ аймағы, ал төртінші домен – ДНК-ға байланысатын C-терминалы. DnaA екі сақталған аймақты қамтиды: біріншісі ақуыздың орталық бөлігінде орналасқан және ATP байланысу доменіне сәйкес келеді, екіншісі C-терминалды жартысында орналасқан және ДНК байланысына қатысады.
DnaA is a protein that activates initiation of DNA replication in bacteria. Based on the Replicon Model, a positively active initiator molecule contacts with a particular spot on a circular chromosome called the replicator to start DNA replication. It is a replication initiation factor which promotes the unwinding of DNA at oriC. The oriC site in E. coli has three AT rich 13 base pair regions (DUEs) followed by four 9 bp regions with the sequence TTAT(C or A)CA(C or A)A. Around 10 DnaA molecules bind to the 9 bp regions, which wrap around the proteins causing the DNA at the AT rich region to unwind. There are 8 DnaA binding sites within oriC, to which DnaA binds with differential affinity. When DNA replication is about to commence, DnaA occupies all of the high and low affinity binding sites. The denatured AT rich region allows for the recruitment of DnaB (helicase), which complexes with DnaC (helicase loader). DnaC helps the helicase to bind to and to properly accommodate the ssDNA at the 13 bp region; this is accomplished by ATP hydrolysis, after which DnaC is released. Single strand binding proteins (SSBs) stabilize the single DNA strands in order to maintain the replication bubble. DnaB is a 5'→3' helicase, so it travels on the lagging strand. It associates with DnaG (a primase) to form the only primer for the leading strand and to add RNA primers on the lagging strand. The interaction between DnaG and DnaB is necessary to control the longitude of Okazaki fragments on the lagging strand. DNA polymerase III is then able to start DNA replication. DnaA is made up of four domains: the first is the N terminal that associates with regulatory proteins, the second is a helical linker region, the third domain is a AAA+ region that binds to ATP, and the fourth domain is the C terminal DNA binding region. DnaA contains two conserved regions: the first is located in the central part of the protein and corresponds to the ATP binding domain, the second is located in the C terminal half and is involved in DNA binding.
ДНҚ-ның мутанттары
DnaA генінің мутацияланған алғашқы штаммдары температураға сезімтал K12 штаммдары CRT46 және CRT83 болды, ал оларға сәйкес штаммдар dnaA46 және dnaA83 деп белгіленді. DnaA мутанттарынан өзгеше, PC2 штаммында ДНК геликазасы dnaB-ның жүктеу факторын кодтайтын dnaC генінде мутация бар.
The first strains to have the dnaA gene mutated were the temperature sensitive K 12 strains CRT46 and CRT83, with the corresponding strain numbers beingdnaA46 and dnaA83. In contrary to dnaA mutants, the PC2 strain has a mutation in the dnaC gene, which codes for the loading factor for the DNA helicase dnaB.
Синтез
DnaA өзінің промоторына байланысу қабілетіне ие. DnaA өзінің промоторына байланғанда, ол РНК полимеразаның промоторға байланысуын бөгеп, транскрипцияның басталуын тежейді. Осылайша, DnaA өзінің экспрессиясын реттей алады. Бұл процесс авторегуляция деп аталады.
DnaA has the ability to bind its own promoter. When DnaA binds to its own promoter it blocks RNA polymerase from binding the promoter and inhibits initiation of transcription. In this way, DnaA is able to regulate its own expression. This process is called autoregulation.
Реттеу
Әрбір жасуша бөліну циклы DnaA бастаушы белгісі арқылы хромосомалардың жаңа репликациясын қозғадырады. Геликазаны жүктеу және шығу тегі ДНҚ-ның ашылуы кезінде нақты уақытты қамтамасыз ету үшін DnaA АТФ мономерынің oriC-пен өзара әрекеттесуін реттеу өте маңызды. Escherichia coli-дегі DnaA тану орындары OriC-те орналасқан, бұл репликацияға дейінгі кешеннің кезеңдеп құралуына көмектеседі, DnaA олигомеризацияланғанда жоғары байланысқан орындар арасындағы кеңістіктерді толтыру үшін төмен байланысқан орындармен өзара әрекеттеседі. Табиғаттағы бактериялардың тіршілік салтына OriC функцияларын байланыстыратын көптеген кеңістік толтыру стратегиялары болуы мүмкін, бұл OriC DnaA тану орындары үлгілерінің кең ауқымды вариациясын түсіндіруге болады. ДНҚ-ның екі түрі – белсенді АТФ және АДФ түрі реттеледі. АТФ түрі, DnaA-ның реттеуші деактивациясы (RIDA) арқылы, ол өз кезегінде Hda белгісі және β жылғаққыш құрылғысы (DnaN) және datA-ға тәуелді DnaA АТФ гидролизінен тұрады, АДФ түріне айналады. АДФ түрі DnaA реактивациялық тізбектері 1 және 2 (DARS1 және DARS2) арқылы АТФ түріне айналады.
Each cell division cycle triggers a new round of chromosome replication by DnaA, the initiator protein. It is crucial to regulate DnaA ATP monomer interactions with oriC during helicase loading and unwinding of origin DNA for precise timing. DnaA recognition sites in Escherichia coli are arranged in OriC to facilitate staged pre replication complex assembling, with DnaA interacting with low affinity sites at it oligomerizes to fill the gaps between high affinity sites as it oligomerizes. There may be numerous gap filling strategies to link OriC functions to bacterial lifestyles in nature, which may account for the wide variability of OriC DnaA recognition site patterns. The two forms of DnaA, the active ATP and ADP form are regulated. The ATP form is converted to the ADP form through either Regulatory inactivation of DnaA (RIDA), which in turn consists of the Hda protein and the β sliding clamp (DnaN) and datA dependent DnaA ATP hydrolysis. The ADP form is converted to the ATP form by DnaA reactivating sequences 1 and 2 (DARS1 and DARS2).
DnaA ақуыз құрылымы
ДНҚ-А ақуызында төрт домен бар. Эшерихия коли және Бацилл субтилис ақуыздарын алғашқы салыстыру шар тәрізді құрылымды анықтауға әкелді, ол салыстырмалы түрде сақталған N-ұшы мен көбінесе сақталған үлкен C-ұшын, арасында көбінесе өзгермелі аймақпен бөлінген күйде көрсетті. Мысалы, энтеробактериялық ақуыздардың N және C-терминалдары дерлік бірдей, бірақ олар өзгермелі аймақтарда көптеген аминқышқылдық өзгерістермен, жоюлармен және енгізілімдермен сипатталады. C-терминалды аймақта AAA+ тұқымдастығы АТФаза мотиві және тәуелсіз ДНҚ байланыстыру шарлары бар. ЯМР (NMR) арқылы анықталғандай, DnaA қорабымен кешенделгенде Escherichia coli шар IV кристаллдай таза құрылымға ие болды. Осының нәтижесінде ДНҚ тізбегі спиральдық бұрылыс мотиві мен кіріспе шеңбердің үйлесімі арқылы делдалдық ететіні расталды. АТФ-қа, бірақ АДФ-қа байланысқанда ДНҚ-А бір бұрылысқа төрт мономерлі суперспиральді құрылымды құрайды. I шардың құрылымы үш қосымша бактерия түрі және Escherichia coli үшін ЯМР (NMR) әдісімен анықталды.
There are four disciplines within the DnaA protein. An initial comparison of Escherichia coli and Bacillus subtilis proteins led to the discovery of a sphere structure, which revealed a relatively conserved N terminus and a largely conserved large C terminus separated by a region that was mostly variable. As an example, the Enterobacterial proteins have nearly identical N and C terminal sequences, however they are characterized by numerous amino acid adjustments, elisions, and insertions in the variable regions. There is an AAA+ family ATPase motif and an independent DNA binding sphere in the C terminal region. It was determined by NMR that Escherichia coli sphere IV had a crystal clear structure when complexed with a DnaA box. As a result, it was confirmed that the DNA list is intermediated by a combination of a helix turn helix motif and an introductory circle. When bound to ATP, but not to ADP, DnaA forms a super helical structure with four monomers per turn. The structure of sphere I has been determined from three additional bacterial species and Escherichia coli by NMR.
DnaA ақуыз синтезінің өзіндік реттелуі
dnaA(Ts) мутанттары бойынша жүргізілген зерттеулер алғаш рет dnaA генінің өзін-өзі реттейтінін көрсетті. DnaA ақуызы белсенді емес температурада да өндіріле береді, бірақ кейбір мутанттарда дамуға қолайлы температураға оралу арқылы оны қайтадан белсенді етуге болады. Зерттеу нәтижелері көрсеткендей, өсу температурасының жоғарылауымен DnaA46 ақуызының белсенділігі төмендеді, нәтижесінде аралық температурада ДНК және басталу (origin) концентрациясы біртіндеп азайды. DnaA ақуызының белсенділігі төмендегенмен бірге, басталу қабілетінің артуы байқалды. Хансен мен Расмуссен (1977) ДНК репликациясын бастауда DnaA ақуызының оң әсер ететінін айтты, ал dnaA генінің промотор аймағы мен генінің тізбегін анықтау нәтижесінде, генаға кіретін транскрипттер табылды. dnaA2p промотор аймағының тізбегінде қызықты ерекшеліктер бар, оларды жақсы көруге болады. Бұл промоторда екі GATC орны бар – біреуі 10 тізбегінде, екіншісі 35 тізбегінде. In vivo және in vitro жағдайында метилирлеу осы промотордан транскрипцияны екі есеге арттырады. Сонымен қатар, DnaA ақуызы жоғары туыстықпен (affinity) dnaA2p промоторының алдындағы аймақтарға байланысады.
The research on dnaA(Ts) mutants provided the first proof that the dnaA gene is autoregulated. DnaA protein is still produced at non permissive temperatures where it is inactive, but in some mutants it can be made active again by returning to a temperature that is conducive to development. The study's findings revealed that as growth temperature increased, the DnaA46 protein's activity decreased, leading to progressively decreasing DNA and origin concentrations at intermediate temperatures. An increase in initiation capacity was seen concurrently with a decrease in DnaA protein activity. Hansen and Rasmussen (1977) argued that the DnaA protein had a positive effect in replication initiation aing transcripts entering the dnaA gene were found as a result of sequencing the dnaA promoter region and the dnaA gene. The sequence of the dnaA2p promoter region has some intriguing characteristics that can be seen more clearly. This promoter contains two GATC sites, one in the 10 sequence and the other in the 35 sequence, and both in vivo and in vitro, methylation increases transcription from this promoter by a factor of two. In addition, DnaA protein binds to regions upstream of the dnaA2p promoter with a high affinity.