Кіріспе
ДНК-мен байланысатын белоктар, мысалы транскрипция факторлары, полимеразалар, нуклеазалар және гистондар – ДНК-ға байланысатын домендері бар және осылайша бір немесе екі тізбекті ДНК-ға белгілі бір немесе жалпы сәйкес келетін белоктар. Белгілі бір тізбекке байланысатын ДНК белоктары, әдетте, В ДНК-ның үлкен ойығымен (major groove) өзара әрекеттеседі, себебі ол базалық жұпты анықтайтын функционалдық топтарды көбірек көрсетеді.
DNA binding proteins are proteins that have DNA binding domains and thus have a specific or general affinity for single or double stranded DNA. Sequence specific DNA binding proteins generally interact with the major groove of B DNA, because it exposes more functional groups that identify a base pair.
Мысалдар
ДНК-ны байланыстыратын ақуыздарға транскрипция процесін модуляциялайтын транскрипция факторлары, әртүрлі полимеразалар, ДНК молекулаларын кесетін нуклеазалар және хромосомалық қаптамаға және жасуша ядросындағы транскрипцияға қатысатын гистондар жатады. ДНК-ны байланыстыратын ақуыздар нуклеин қышқылына байланысуды жеңілдететін мырыш саусағы, спираль-бұрылыс спираль және лейцин жіпшесі (басқалардың көптеген түрлерінің ішінде) сияқты домендерді қамти алады. Транскрипция активаторына ұқсас эффекторлар сияқты сирек кездесетін мысалдар да бар.
ДНК- ақуыздың ерекше емес өзара әсерлері
ДНҚ-ны байланыстыратын құрылымдық ақуыздар – ДНҚ-ның ерекше емес ақуыздық өзара әрекеттесуінің жақсы түсінілген мысалдары. Хромосомалардың ішінде ДНК құрылымдық ақуыздармен кешенде болады. Бұл ақуыздар ДНК-ны хроматин деп аталатын тығыз құрылымға ұйымдастырады. Эукариоттарда бұл құрылым ДНК-ның гистон деп аталатын шағын негізгі ақуыздар кешеніне байланысуын қамтиды. Прокариоттарда әртүрлі типтегі ақуыздар қатысады. Гистондар ядросома деп аталатын дискі тәрізді кешенді құрайды, оның бетінде екі спиральды ДНК-ның екі толық айналымы орналасқан. Бұл ерекше емес өзара әрекеттесулер гистондардағы негізгі қалдықтардың ДНК-ның қышқылдық қант-фосфат тірекшесімен иондық байланыстар құруы арқылы қалыптасады, сондықтан олар негізінен ДНК тізбегіне тәуелсіз. Осы негізгі аминқышқылдарының қалдықтарын химиялық өзгертуге метилдеу, фосфорлану және ацетилдеу жатады. Бұл химиялық өзгерістер ДНК мен гистондар арасындағы өзара әрекеттесудің күшін өзгертеді, ДНК-ны транскрипция факторларына көбірек немесе азырақ қолжетімді етеді және транскрипция жылдамдығын өзгертеді. Хроматиндегі басқа да ерекше емес ДНК-ға байланысатын ақуыздарға жоғары қозғалмалы топ (HMG) ақуыздары жатады, олар бүгілген немесе бұрмаланған ДНК-ға байланысады. Биофизикалық зерттеулер көрсеткендей, бұл архитектуралық HMG ақуыздары биологиялық функцияларын орындау үшін ДНК-ны байланыстырып, бүгіп және иіп тұрады. Бұл ақуыздар нуклеосомалардың тізімдерін иіп, оларды хромосома құрайтын үлкен құрылымдарға орналастыруда маңызды. Соңғы кезде FK506 байланыстыратын ақуыз 25 (FBP25) ДНК-мен ерекше емес байланысқа түсетіні және ДНК жөндеуге көмектесетіні анықталды.
Бір жіпті ДНК-ға ерекше байласатын ақуыздар
ДНҚ-ға байланысатын белоктардың ерекше тобы – бір тізбекті ДНҚ-ға ғана байланысатын ДНҚ-ға байланысатын белоктар. Адамдарда репликациялық протеин А – осы отбасының ең жақсы зерттелген мүшесі және ол қос спиральдың ажыратылатын процестерінде, соның ішінде ДНҚ репликациясы, рекомбинация және ДНҚ жөндеуде қолданылады. Бұл белоктар бір тізбекті ДНҚ-ны тұрақтандырып, оның түйіндік құрылымдар жасауына немесе нуклеазалармен ыдырауына қарсы қорғайды.
Белгілі бір ДНК тізбектеріне байлау
Ал, басқа белоктар белгілі бір ДНК тізбектерімен байланысу үшін эволюцияланған. Олардың арасында ең көп зерттелгендері – әртүрлі транскрипция факторлары, яғни транскрипцияны реттейтін ақуыздар. Әрбір транскрипция факторы бір белгілі ДНК тізбектерімен байланысады және осы тізбектері промоторларына жақын орналасқан гендердің транскрипциясын белсендіреді немесе тежейді. Транскрипция факторлары мұны екі жолмен істейді. Біріншіден, олар транскрипцияға жауапты РНК полимеразамен тікелей немесе басқа медиаторлы ақуыздар арқылы байланыса алады; бұл полимеразаны промоторда орналастырып, транскрипцияны бастауға мүмкіндік береді. Екіншіден, транскрипция факторлары промотордағы гистондарды өзгертетін ферменттермен байланыса алады. Бұл ДНК-ның полимеразаға қолжетімділігін өзгертеді. Бұл ДНК-таргеттер организмнің геномдық құрамында кеңінен таралған. Сондықтан, бір түрдегі транскрипция факторының белсенділігінің өзгеруі мыңдаған гендерге әсер етуі мүмкін. Осылайша, бұл ақуыздар көбінесе қоршаған ортаның өзгеруіне немесе жасушалық дифференциация мен дамуға жауап беретін сигналдық жолдардың нысанасы болып табылады. Бұл транскрипция факторларының ДНК-мен өзара әрекеттесуінің ерекшелігі – ақуыздардың ДНК негіздерінің шеттерімен көптеген байланыстар жасауында, бұл оларға ДНК тізбегін оқуға мүмкіндік береді. Мұндай негіздердің өзара әрекеттесуінің көп бөлігі негізгі саңылауда жүзеге асады, онда негіздер ең қолжетімді болады. Ақуыз-ДНК байланысын, тізбектік ерекшелікті, сондай-ақ әртүрлі типтегі ақуыздардың бәсекелестік және кооперативтік байланысын ескере отырып математикалық тұрғыдан сипаттау әдетте торлы модельдер арқылы жүзеге асырылады. Постгеномдық дәуірдегі мол тізбектік деректерді тиімді пайдалану үшін ДНК-ның тізбектік ерекшелігін анықтауға арналған есептеу әдістері ұсынылған.
Белсенді-ДНК өзара әсерлесулері
Белоктар мен ДНК-ның өзара әрекеттесуі белок ДНК молекуласына байланысқанда жүзеге асады, көбінесе ДНК-ның биологиялық функциясын, әдетте геннің экспрессиясын реттеу үшін. ДНК-ға байланысатын белоктардың арасында ген экспрессиясын ДНК мотивтеріне байланысу арқылы белсендіретін немесе басатын транскрипция факторлары және ДНК құрылымының бөлігін құрайтын, оған азырақ ерекше байланысатын гистондар бар. Сондай-ақ, урацил ДНК гликозилаза сияқты ДНК-ны жөндеуге қатысатын белоктар да онымен тығыз байланыста болады. Жалпы, белоктар ДНК-ның үлкен саңылауына байланысады, бірақ ерекшеліктер кездеседі. Белок-ДНК өзара әрекеттесуі негізінен екі түрге бөлінеді: ерекше және ерекше емес өзара әрекеттесу. Жақында жүргізілген жеке молекулалық эксперименттер ДНК-ға байланысатын белоктар мақсатты орынды тану үшін дұрыс бағытта байланысу үшін жылдам қайта байланысқа түседін көрсетті.
Дизайн
ДНҚ-мен байланысатын белгілі бір ДНҚ байланысу орнына ие протеиндерді жобалау биотехнология үшін маңызды мақсат болды. Цинк саусағы ақуыздары нақты ДНК тізбектеріне байланысу үшін жасалған, және осы цинк саусағы нуклеазаларының негізі болып табылады. Соңғы кезде, транскрипцияны жақсартатын эффекторлы нуклеазалар (TALEN) құрылды, олар түрлі өсімдік түрлерін қоздырған кезде Xanthomonas бактерияларының III типті секреция жүйесі арқылы шығарылатын табиғи ақуыздарға негізделген.
Анықтау әдістері
ДНҚ-ның ақуыздық өзара әрекеттесуін анықтау үшін көптеген in vitro және in vivo әдістер бар. Қазіргі кезде қолданылатын кейбір әдістер төменде келтірілген: Электрофоретикалық қозғалыс ауысуы (EMSA) – белгілі ДНК-мен байланысатын белоктардың белок-ДНК өзара әрекеттесуін зерттеуге арналған кең таралған сапалық әдіс. ДНК-ақуыз өзара әрекеттесу ферментті иммуносорбантты талдау (DPI ELISA) белгілі ақуыздардың ДНК-мен байланысу қабілеттерін in vitro жағдайында сапалық және сандық талдауға мүмкіндік береді. Бұл әдіс ДНК-ға байланысатын белок кешендерін талдауға (DPI Recruitment ELISA) немесе стандартты ELISA пластина форматындағы түйіршіктердің тізімін автоматты түрде тексеруге жарамды. DNase footprinting әдісі белоктың ДНК-ға байланысуының нақты орындарын негіз жұптары деңгейінде анықтау үшін қолданылады. Хроматин иммунопреципитациясы белгілі транскрипция факторларының in vivo ДНК нысана аймақтарын анықтау үшін қолданылады. Бұл әдіс жоғары өнімділік секвенирлеумен біріктірілгенде ChIP-Seq, ал микроаррайлермен біріктірілгенде ChIP-чип деп аталады. Ашытқының бір гибридтік жүйесі (Y1H) белгілі бір ДНК фрагментіне байланысатын ақуызды анықтау үшін қолданылады. Бактериялық бір гибридтік жүйе (B1H) белгілі бір ДНК фрагментіне байланысатын ақуызды анықтау үшін қолданылады. Рентген кристаллографиясы арқылы құрылымды анықтау ақуыз-ДНК өзара әрекеттесуінің егжей-тегжейлі атомдық көрінісін беруге қолданылды. Бұл әдістерден басқа, зертханада SELEX, PBM (ақуыз байланыстыру микромассивтері), ДНК микромассивтер скринингі, DamID, FAIRE немесе соңғы кезде DAP-seq сияқты әдістер ДНК-ақуыз өзара әрекеттесуін in vivo және in vitro зерттеу үшін қолданылады.