ДНК-связывающий мотив: лейцинная молния (leucine zipper) – структура для димеризации транскрипционных факторов bZIP. Важна для связывания ДНК и регуляции генов.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Структурный мотив связывания ДНК
DNA binding structural motif
Лейцинная молния (или лейциновые ножницы, когда было обнаружено, что у белка, связывающего энхансер, имеется очень характерный 30-аминокислотный сегмент, и представление этих аминокислотных последовательностей на идеализированной альфа-спирали выявило периодическое повторение остатков лейцина через каждые семь позиций на протяжении восьми витков спирали. Предполагалось, что полипептидные сегменты, содержащие эти периодические ряды остатков лейцина, существуют в альфа-спиральной конформации, а боковые цепи лейцина из одной альфа-спирали переплетаются с боковыми цепями лейцина из альфа-спирали второго полипептида, облегчая димеризацию. Лейцинные молнии являются димеризационным мотивом класса bZIP (базовая область лейцинной молнии) эукариотических факторов транскрипции. Домен bZIP имеет длину 60-80 аминокислот, содержит высококонсервативную базовую область, связывающую ДНК, и более разнообразную область димеризации лейцинной молнии. Расположение лейцинов критически важно для связывания ДНК с белками. Лейцинные молнии присутствуют как в эукариотических, так и в прокариотических регуляторных белках, но в основном являются характерной чертой эукариот. Они также могут быть обозначены просто как ZIP, а ZIP-подобные мотивы были обнаружены в белках, отличных от факторов транскрипции, и считаются одним из общих белковых модулей для белок-белковых взаимодействий.
A leucine zipper (or leucine scissors when they found that an enhancer binding protein had a very characteristic 30 amino acid segment and the display of these amino acid sequences on an idealized alpha helix revealed a periodic repetition of leucine residues at every seventh position over a distance covering eight helical turns. The polypeptide segments containing these periodic arrays of leucine residues were proposed to exist in an alpha helical conformation and the leucine side chains from one alpha helix interdigitate with those from the alpha helix of a second polypeptide, facilitating dimerization. Leucine zippers are a dimerization motif of the bZIP (Basic region leucine zipper) class of eukaryotic transcription factors. The bZIP domain is 60 to 80 amino acids in length with a highly conserved DNA binding basic region and a more diversified leucine zipper dimerization region. The localization of the leucines are critical for the DNA binding to the proteins. Leucine zippers are present in both eukaryotic and prokaryotic regulatory proteins, but are mainly a feature of eukaryotes. They can also be annotated simply as ZIPs, and ZIP like motifs have been found in proteins other than transcription factors and are thought to be one of the general protein modules for protein–protein interactions.
Последовательность и структура
Лейцинная молния формируется в результате димеризации двух специфических мономеров альфа-спирали, связанных с ДНК. Лейцинная молния образуется за счет амфипатического взаимодействия двух доменов ZIP. Домен ZIP находится в альфа-спирали каждого мономера и содержит лейцины или аминокислоты, подобные лейцину. Эти аминокислоты расположены в полипептидной последовательности каждой области таким образом, что при скручивании последовательности в трехмерную альфа-спираль остатки лейцина выстраиваются на одной стороне спирали. Эта область альфа-спирали, содержащая выстроенные лейцины, называется доменом ZIP, и лейцины из каждого домена ZIP могут слабо взаимодействовать с лейцинами из других доменов ZIP, обратимо удерживая их альфа-спирали вместе (димеризация). Когда эти альфа-спирали димеризуются, формируется молния. Гидрофобная сторона спирали образует димер с самой собой или другой подобной спиралью, скрывая неполярные аминокислоты от растворителя. Гидрофильная сторона спирали взаимодействует с водой в растворителе. Мотивы лейцинной молнии считаются подтипом коиледов (свернутых катушек), которые состоят из двух или более альфа-спиралей, скрученных друг вокруг друга, образуя суперкотушку. Коиледы содержат 3- и 4-остаточные повторы, гидрофобный паттерн и состав остатков которых соответствуют структуре амфипатических альфа-спиралей. Чередующиеся трех- и четырех-остаточные элементы последовательности образуют гептадные повторы, в которых аминокислоты обозначаются от a’ до g’. Остатки в позициях a и d обычно гидрофобны и образуют зигзагообразный рисунок выступов и углублений, которые переплетаются с аналогичным рисунком на другой цепи, формируя плотно прилегающее гидрофобное ядро, в то время как остатки в позициях e и g являются заряженными остатками, способствующими электростатическому взаимодействию. В случае лейцинных молний лейцины преобладают в позиции d гептадного повтора. Эти остатки упаковываются друг против друга каждый второй виток альфа-спиралей, а гидрофобная область между двумя спиралями дополняется остатками в позициях a, которые также часто гидрофобны. Они называются коиледами, если не доказано, что они важны для функции белка. Если это так, то они аннотируются в подразделе "домен", например, домен bZIP. Два различных типа таких спиралей могут объединяться, образуя гетеродимерную лейцинную молнию. При наличии неполярных аминокислотных остатков в позициях e или g in vitro можно создать гетеротетрамер, состоящий из 2 различных лейцинных молний, что указывает на то, что общая гидрофобность поверхности взаимодействия и взаимодействие Ван-дер-Ваальса могут изменять организацию коиледов и играть роль в формировании гетеродимера лейцинной молнии.
Leucine zipper is created by the dimerization of two specific alpha helix monomers bound to DNA. The leucine zipper is formed by amphipathic interaction between two ZIP domains. The ZIP domain is found in the alpha helix of each monomer, and contains leucines, or leucine like amino acids. These amino acids are spaced out in each region's polypeptide sequence in such a way that when the sequence is coiled in a 3D alpha helix, the leucine residues line up on the same side of the helix. This region of the alpha helix containing the leucines which line up is called a ZIP domain, and leucines from each ZIP domain can weakly interact with leucines from other ZIP domains, reversibly holding their alpha helices together (dimerization). When these alpha helices dimerize, the zipper is formed. The hydrophobic side of the helix forms a dimer with itself or another similar helix, burying the non polar amino acids away from the solvent. The hydrophilic side of the helix interacts with the water in the solvent. Leucine zipper motifs are considered a subtype of coiled coils, which are built by two or more alpha helices that are wound around each other to form a supercoil. Coiled coils contain 3 and 4 residue repeats whose hydrophobicity pattern and residue composition is compatible with the structure of amphipathic alpha helices. The alternating three and four residue sequence elements constitute heptad repeats in which the amino acids are designated from a’ to g’. While residues in positions a and d are generally hydrophobic and form a zigzag pattern of knobs and holes that interlock with a similar pattern on another strand to form a tight fitting hydrophobic core, residues in positions e and g are charged residues contributing to the electrostatic interaction. In the case of leucine zippers, leucines are predominant at the d position of the heptad repeat. These residues pack against each other every second turn of the alpha helices, and the hydrophobic region between two helices is completed by residues at the a positions, which are also frequently hydrophobic. They are referred to as coiled coils unless they are proven to be important for protein function. If that is the case, then they are annotated in the “domain” subsection, which would be the bZIP domain. Two different types of such a helices can pair up to form a heterodimeric leucine zipper. With apolar amino acid residues at either the e or g position, a heterotetramer consisting of 2 different leucine zippers can be generated in vitro, which implies that the overall hydrophobicity of the interaction surface and van der Waals interaction may alter the organization of coiled coils and play a role in the formation of leucine zipper heterodimer.
Специфическое связывание между белками bZIP и ДНК
bZIP взаимодействует с ДНК посредством основных аминокислотных остатков (см. основные аминокислоты в (приведенной таблице, отсортированной по pH) некоторых аминокислот в "базовом" домене, таких как лизин и аргинин. Эти основные остатки взаимодействуют в большой бороздке ДНК, формируя специфичные к последовательности взаимодействия. Механизм регуляции транскрипции белками bZIP был детально изучен. Большинство белков bZIP демонстрируют высокую аффинность к мотивам ACGT, включая CACGTG (G-бокс), GACGTC (C-бокс), TACGTA (A-бокс), AACGTT (T-бокс) и мотив GCN4, а именно TGA(G/C)TCA. Гетеродимеры bZIP существуют у различных эукариот и более распространены в организмах с более высокой степенью эволюционной сложности. Гетеродимерные белки bZIP отличаются от гомодимерных bZIP и друг от друга по аффинности к белок-белковым взаимодействиям. Эти гетеродимеры проявляют сложную специфичность связывания с ДНК. При объединении с другим партнером большинство пар bZIP связываются с последовательностями ДНК, которые предпочитает каждый отдельный партнер. В некоторых случаях димеризация различных партнеров bZIP может изменить последовательность ДНК, к которой нацелена пара, что не могло быть предсказано на основе предпочтений каждого партнера в отдельности. Это указывает на то, что, будучи гетеродимерами, транскрипционные факторы bZIP способны изменять свои предпочтения относительно места связывания с ДНК. Способность bZIP-домена формировать димеры с различными партнерами значительно расширяет области генома, к которым могут связываться транскрипционные факторы bZIP и с которых они могут регулировать экспрессию генов. Однако другие, включая LIP19, OsZIP 2a и OsZIP 2b, не связываются с последовательностями ДНК. Вместо этого эти белки bZIP образуют гетеродимеры с другими bZIP для регуляции транскрипционной активности.
The bZIP interacts with the DNA via basic, amine residues (see basic amino acids in (provided table (sort by pH)) of certain amino acids in the "basic" domain, such as lysines and arginines. These basic residues interact in the major groove of the DNA, forming sequence specific interactions. The mechanism of transcriptional regulation by bZIP proteins has been studied in detail. Most bZIP proteins show high binding affinity for the ACGT motifs, which include CACGTG (G box), GACGTC (C box), TACGTA (A box), AACGTT (T box), and a GCN4 motif, namely TGA(G/C)TCA. The bZIP heterodimers exist in a variety of eukaryotes and are more common in organisms with higher evolution complexity. Heterodimeric bZIP proteins differ from homodimeric bZIP and from each other in protein protein interaction affinity. These heterodimers exhibit complex DNA binding specificity. When combined with a different partner, most of the bZIP pairs bind to DNA sequences that each individual partner prefers. In some cases, dimerization of different bZIP partners can change the DNA sequence that the pair targets in a manner that could not have been predicted based on the preferences of each partner alone. This suggests that, as heterodimers, bZIP transcription factors are able to change their preferences for which location they target in the DNA. The ability of bZIP domain forming dimers with different partners greatly expands the locations on the genome to which bZIP transcription factors can bind and from which they can regulate gene expression. However, the others, including LIP19, OsZIP 2a, and OsZIP 2b, do not bind to DNA sequences. Instead, these bZIP proteins form heterodimers with other bZIPs to regulate transcriptional activities.
Биология
Регулирующие белки с лейцинной молнией включают c-fos и c-jun (транскрипционный фактор AP1), важные регуляторы нормального развития, а также члены семейства myc, включая myc, max и mxd1. При избыточной продукции или мутациях в критически важных областях они могут вызывать рак.
Leucine zipper regulatory proteins include c fos and c jun (the AP1 transcription factor), important regulators of normal development, as well as myc family members including myc, max, and mxd1. If they are overproduced or mutated in a vital area, they may cause cancer.