Белок DnaA и инициация репликации ДНК в бактериях.
DnaA
Белок DnaA и репликация ДНК у бактерий: активация, ориC, DUE-элементы, раскручивание ДНК. Ключевой фактор инициации репликации и его механизм действия.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
DnaA — это белок, который активирует начало репликации ДНК у бактерий. Согласно модели репликонов, положительно активная молекула инициатора контактирует с определенным участком на кольцевой хромосоме, называемым репликатором, для начала репликации ДНК. Это фактор инициации репликации, который способствует раскручиванию ДНК в oriC. В сайте oriC у E. coli имеются три богатых AT региона, состоящих из 13 пар оснований (DUE), за которыми следуют четыре 9-нуклеотидных региона с последовательностью TTAT(C или A)CA(C или A)A. Около 10 молекул DnaA связываются с 9-нуклеотидными регионами, которые обвиваются вокруг белков, вызывая раскручивание ДНК в богатом AT регионе. В oriC имеется 8 сайтов связывания DnaA, к которым DnaA связывается с различной степенью аффинности. Когда репликация ДНК собирается начаться, DnaA занимает все сайты связывания с высокой и низкой аффинностью. Раскрученный богатый AT регион обеспечивает рекрутирование DnaB (геликазы), которая образует комплекс с DnaC (загрузчиком геликазы). DnaC помогает геликазе связываться с одноцепочечной ДНК и правильно размещаться в 13-нуклеотидном регионе; это достигается за счет гидролиза АТФ, после чего DnaC высвобождается. Белки, связывающие одноцепочечную ДНК (SSB), стабилизируют одноцепочечные цепи ДНК для поддержания репликационной вилки. DnaB является 5'→3' геликазой, поэтому она движется по отстающей цепи. Она ассоциируется с DnaG (примазой) для формирования единственного праймера для ведущей цепи и добавления РНК-праймеров на отстающую цепь. Взаимодействие между DnaG и DnaB необходимо для контроля длины фрагментов Оказаки на отстающей цепи. Затем ДНК-полимераза III может начать репликацию ДНК. DnaA состоит из четырех доменов: первый — N-концевой, который связывается с регуляторными белками, второй — спиральный линкерный регион, третий домен — AAA+ регион, который связывается с АТФ, и четвертый домен — C-концевой регион связывания ДНК. DnaA содержит два консервативных региона: первый расположен в центральной части белка и соответствует АТФ-связывающему домену, второй расположен в C-концевой половине и участвует в связывании ДНК.
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.
Мутанты ДНК
Первыми штаммами с мутацией в гене *dnaA* были температурно-чувствительные штаммы K-12 CRT46 и CRT83, с соответствующими обозначениями мутаций *dnaA46* и *dnaA83*. В отличие от мутантов *dnaA*, штамм PC2 содержит мутацию в гене *dnaC*, кодирующем фактор, обеспечивающий загрузку ДНК-геликазы *dnaB*.
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 обладает способностью связываться со своим собственным промотором. Когда DnaA связывается со своим промотором, он блокирует связывание РНК-полимеразы с промотором и подавляет инициацию транскрипции. Таким образом, DnaA способен регулировать собственную экспрессию. Этот процесс называется ауторегуляцией.
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.
Регулирование
Каждый цикл деления клеток запускает новый раунд репликации хромосом посредством DnaA, белка-инициатора. Крайне важно регулировать взаимодействие мономеров DnaA-АТФ с oriC во время загрузки геликазы и раскручивания ДНК в начале репликации для обеспечения точного времени начала процесса. Сайты распознавания DnaA в Escherichia coli расположены в OriC таким образом, чтобы способствовать последовательной сборке комплекса предрепликации, при этом DnaA взаимодействует с сайтами низкой аффинности по мере олигомеризации, заполняя промежутки между сайтами высокой аффинности. Существует множество стратегий заполнения промежутков, связывающих функции OriC с образом жизни бактерий в естественных условиях, что может объяснять широкую вариабельность паттернов сайтов распознавания DnaA в OriC. Регулируются две формы DnaA – активная форма, связанная с АТФ, и форма, связанная с АДФ. Форма, связанная с АТФ, превращается в форму, связанную с АДФ, либо посредством регуляторной инактивации DnaA (RIDA), которая включает белок Hda и β-скользящую зажим (DnaN), либо посредством АТФ-гидролиза, зависящего от DnaA. Форма, связанная с АДФ, превращается в форму, связанную с АТФ, посредством реактивации DnaA последовательностями 1 и 2 (DARS1 и DARS2).
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).
Структура белка DnaA
В белке DnaA выделяют четыре домена. Первичное сравнение белков Escherichia coli и Bacillus subtilis привело к обнаружению сферической структуры, которая выявила относительно консервативный N-концевой участок и в значительной степени консервативный крупный C-концевой участок, разделенные областью, которая в основном вариабельна. Например, энтеробактериальные белки имеют почти идентичные N- и C-концевые последовательности, однако характеризуются многочисленными изменениями аминокислот, делециями и вставками в вариабельных областях. В C-концевом участке присутствует мотив АТФазы семейства AAA+ и независимый домен связывания ДНК. С помощью ЯМР-спектроскопии было установлено, что сфера IV Escherichia coli имеет четко определенную структуру при комплексировании с DnaA-боксом. В результате было подтверждено, что взаимодействие с ДНК опосредовано комбинацией мотива «спираль-поворот-спираль» и вводного кольца. При связывании с АТФ, но не с АДФ, DnaA формирует суперспиральную структуру, состоящую из четырех мономеров на оборот. Структура сферы I была определена с помощью ЯМР-спектроскопии для трех дополнительных видов бактерий и Escherichia coli.
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.
Авторегуляция синтеза белка DnaA
Исследования мутаций dnaA(Ts) предоставили первое доказательство авторегуляции гена dnaA. Белок DnaA продолжает синтезироваться при непермиссивных температурах, когда он неактивен, но у некоторых мутантов его активность может быть восстановлена при возвращении к температуре, благоприятной для развития. Результаты исследования показали, что с повышением температуры роста активность белка DnaA46 снижается, что приводит к прогрессивному уменьшению концентрации ДНК и начала репликации при промежуточных температурах. Одновременно со снижением активности белка DnaA наблюдалось увеличение способности к инициированию репликации. Хансен и Расмуссен (1977) предположили, что белок DnaA оказывает положительное влияние на инициирование репликации, а транскрипты, входящие в ген dnaA, были обнаружены в результате секвенирования промоторной области dnaA и самого гена dnaA. Последовательность промоторной области dnaA2p обладает рядом интересных особенностей, которые проявляются более отчетливо. Этот промотор содержит два сайта GATC – один в последовательности -10 и другой в последовательности -35, и как in vivo, так и in vitro, метилирование увеличивает транскрипцию с этого промотора в два раза. Кроме того, белок DnaA с высокой аффинностью связывается с участками, расположенными выше по течению от промотора dnaA2p.
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.