Лак репрессор - Lac repressor

Аннотированная кристаллическая структура димера LacI. Два мономера (всего четыре) взаимодействуют для связывания каждой последовательности ДНК-оператора. Мономеры (красный и синий) содержат ДНК-связывающие и коровые домены (помечены), которые связаны линкером (помечены). Спираль тетрамеризации с С-концом не показана. Репрессор показан в комплексе с операторной ДНК (золото) и ONPF (зеленый), лигандом антииндуктора (т.е. стабилизатор связывания ДНК)

В лак репрессор представляет собой ДНК-связывающий белок, который ингибирует выражение из гены кодирование для белки участвует в метаболизм из лактоза в бактериях. Эти гены подавляются, когда лактоза недоступен для клетки, что гарантирует, что бактерия инвестирует энергию только в производство оборудования, необходимого для поглощения и использования лактозы, когда лактоза присутствует. Когда лактоза становится доступной, она превращается в аллолактоза, что подавляет лак способность репрессора связывать ДНК, тем самым увеличивая экспрессию генов.

Функция

В лак репрессор (LacI) действует посредством мотива спираль-поворот-спираль в своем ДНК-связывающем домене, специфично связываясь с большой бороздкой операторной области лак оперон, с основными контактами, также образованными остатками связанных с симметрией альфа-спиралей, «шарнирных» спиралей, которые глубоко связываются в малой бороздке.[1] Этот связанный репрессор может уменьшить транскрипция белков Lac, перекрывая РНК-полимераза сайт связывания или путем создания петли ДНК.[2] Когда присутствует лактоза, аллолактоза связывается с лак репрессор, вызывающий аллостерический изменить свою форму. В измененном состоянии лак репрессор не может прочно связываться со своим родственным ему оператором. Таким образом, ген в основном выключен в отсутствие индуктора и в основном включен в присутствии индуктора, хотя степень экспрессии гена зависит от количества репрессоров в клетке и от аффинности связывания репрессора с ДНК.[3] Изопропил-β-D-1-тиогалактопиранозид (IPTG) - это широко используемый имитатор аллолактозы, который можно использовать для индукции транскрипции генов, регулируемых лак репрессор.

Структура

Тетрамерный LacI связывает две операторные последовательности и индуцирует образование петель ДНК. Два димера LacI функциональные субъединицы (красный + синий и зеленый + оранжевый) каждая связывает последовательность оператора ДНК (помечена). Эти две функциональные субъединицы связаны в области тетрамеризации (помечены); таким образом, тетрамерный LacI связывает две последовательности операторов. Это позволяет тетрамерным LacI чтобы вызвать образование петель ДНК.

Конструктивно лак белок-репрессор - это гомотетрамер. Точнее, тетрамер содержит две ДНК-связывающие субъединицы, состоящие из двух мономеров каждая (димер димеров). Каждый мономер состоит из четырех отдельных областей:[4][5][6]

  • N-терминал ДНК-связывающий домен (в котором два белка LacI связываются с одним операционным сайтом)
  • А нормативная область (иногда называют основной домен, который связывает аллолактозу, аллостерическую эффекторную молекулу)
  • А компоновщик который соединяет ДНК-связывающий домен с основным доменом (иногда называемым петля спираль, что важно для аллостерической коммуникации[6])
  • C-терминал область тетрамеризации (который объединяет четыре мономера в пучок альфа-спирали)

Связывание ДНК происходит через N-конец спираль-поворот-спираль структурный мотив и нацелена на одну из нескольких последовательностей ДНК оператора (известную как O1, O2 и O3). О1 последовательность оператора немного перекрывается с промотором, что увеличивает сродство РНК-полимераза для промоторной последовательности, так что она не может входить в элонгацию и остается в неудачное начало. Кроме того, поскольку каждый тетрамер содержит две ДНК-связывающие субъединицы, связывание нескольких операторных последовательностей одним тетрамером вызывает образование петли ДНК.[7]

Поисковая кинетика связывания ДНК

Предполагается, что lacI и другие фактор транскрипции (TF) находят свои сайты связывания облегченное распространение, комбинация свободной диффузии в 3D и одномерного скольжения по ДНК. Во время скольжения репрессор находится в постоянном контакте со спиралью ДНК, скользя по ней, тем самым облегчая процесс поиска за счет уменьшения размерности. После зондирования в среднем 45 п.н. путем скольжения, TF спонтанно отделяется и возобновляет исследование генома в 3D.[8] Считается, что во время скольжения LacI скользит по O1 несколько раз перед связыванием, что предполагает компромисс между быстрым поиском неспецифических последовательностей и привязкой к конкретным последовательностям.[8] Скольжение lac-репрессора по ДНК невозможно наблюдать с помощью флуоресцентная микроскопия, но полностью атом молекулярная динамика моделирование предполагает, что фактор транскрипции встречает барьер в 1 kBТ для скольжения и 12 kBТ для диссоциации, подразумевая, что репрессор будет скользить в среднем более чем на 8 п.н. перед диссоциацией.[9] В in vivo Модель поиска lac-репрессора включает межсегментный перенос и прыжки, а также краудинг другими белками, которые делают геном в Кишечная палочка клетки менее доступны для репрессора.[10]

Открытие

В лак репрессор был первым изолированные от Уолтер Гилберт и Бенно Мюллер-Хилл в 1966 г.[11] Они показали, что in vitro белок, связанный с ДНК, содержащий лак оперон, и он высвободил ДНК, когда IPTG (ан аналог аллолактозы).

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Шумахер М.А., Цой К.Ю., Залкин Х., Бреннан Р.Г. (ноябрь 1994 г.). «Кристаллическая структура члена LacI, PurR, связанная с ДНК: связывание малых бороздок альфа-спиралями». Наука. 266 (5186): 763–70. Дои:10.1126 / science.7973627. PMID  7973627.
  2. ^ Разо-Мехиа М., Боедикер Дж., Джонс Д., Делуна А., Кинни Дж., Филлипс Р. (2014). «Сравнение теоретического и реального эволюционного потенциала генетической цепи». Физическая биология. 1 (2): 026005. Дои:10.1088/1478-3975/11/2/026005. ЧВК  4051709. PMID  24685590.
  3. ^ Разо-Мехия М., Барнс С., Белливо Н., Чуре Дж., Эйнав Т., Льюис М., Филлипс Р. (2018). «Настройка регуляции транскрипции посредством передачи сигналов: теория прогнозирования аллостерической индукции». Сотовые системы. 6 (4): 456–469. Дои:10.1016 / j.cels.2018.02.004. ЧВК  5991102. PMID  29574055.
  4. ^ Гудселл Д.С. (2003). «Лак Репрессор». Банк данных белков RCSB. Дои:10.2210 / rcsb_pdb / mom_2003_3.
  5. ^ Льюис М. (июнь 2005 г.). «Лак репрессор». Comptes Rendus Biologies. 328 (6): 521–48. Дои:10.1016 / j.crvi.2005.04.004. PMID  15950160.
  6. ^ а б Суинт-Круз Л., Мэтьюз К.С. (апрель 2009 г.). «Аллостерия в семействе LacI / GalR: вариации на тему». Текущее мнение в микробиологии. 12 (2): 129–37. Дои:10.1016 / j.mib.2009.01.009. ЧВК  2688824. PMID  19269243.
  7. ^ Oehler S, Eismann ER, Krämer H, Müller-Hill B (апрель 1990 г.). «Три оператора lac-оперона сотрудничают в репрессиях». Журнал EMBO. 9 (4): 973–9. Дои:10.1002 / j.1460-2075.1990.tb08199.x. ЧВК  551766. PMID  2182324.
  8. ^ а б Хаммар, Петтер; Лерой, Чернослив; Махмутович, Анель; Марклунд, Эрик Дж .; Берг, Отто Дж .; Эльф, Йохан (22.06.2012). «Lac Repressor показывает облегченную диффузию в живых клетках». Наука. 336 (6088): 1595–1598. Дои:10.1126 / science.1221648. ISSN  0036-8075. PMID  22723426.
  9. ^ Марклунд, Эрик Дж .; Махмутович, Анель; Берг, Отто G .; Хаммар, Петтер; Споэл, Дэвид ван дер; Фанж, Дэвид; Эльф, Йохан (2013-12-03). «Связывание факторов транскрипции и скольжение по ДНК изучено с использованием микро- и макроскопических моделей». Труды Национальной академии наук. 110 (49): 19796–19801. Дои:10.1073 / пнас.1307905110. ISSN  0027-8424. ЧВК  3856812. PMID  24222688.
  10. ^ Махмутович, Анель; Берг, Отто G .; Эльф, Йохан (16 марта 2015 г.). «Что имеет значение для поиска lac-репрессоров in vivo - скольжение, скачки, межсегментный перенос, скопление ДНК или распознавание?». Исследования нуклеиновых кислот. 43 (7): 3454–3464. Дои:10.1093 / nar / gkv207. ISSN  1362-4962. ЧВК  4402528. PMID  25779051.
  11. ^ Гилберт В, Müller-Hill B (декабрь 1966 г.). «Изоляция лакового репрессора». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 56 (6): 1891–8. Дои:10.1073 / pnas.56.6.1891. ЧВК  220206. PMID  16591435.

внешние ссылки