Las proteínas de unión al ADN son proteínas que tienen dominios de unión al ADN y, por lo tanto, tienen una afinidad específica o general por el ADN monocatenario o bicatenario . [3] [4] [5] Las proteínas de unión al ADN específicas de la secuencia generalmente interactúan con el surco principal del ADN-B , porque expone más grupos funcionales que identifican un par de bases . Sin embargo, existen algunos ligandos de unión al ADN de surco menor conocidos como netropsina , [6] distamicina , Hoechst 33258 , pentamidina , DAPIy otros. [7]
Ejemplos de
Las proteínas de unión al ADN incluyen factores de transcripción que modulan el proceso de transcripción, varias polimerasas , nucleasas que escinden moléculas de ADN e histonas que participan en el empaquetamiento y transcripción cromosómica en el núcleo celular . Las proteínas de unión al ADN pueden incorporar dominios como el dedo de zinc , la hélice-vuelta-hélice y la cremallera de leucina (entre muchos otros) que facilitan la unión al ácido nucleico. También hay ejemplos más inusuales, como activadores de transcripción como efectores .
Interacciones no específicas de ADN-proteína
Las proteínas estructurales que se unen al ADN son ejemplos bien conocidos de interacciones ADN-proteína no específicas. Dentro de los cromosomas, el ADN se mantiene en complejos con proteínas estructurales. Estas proteínas organizan el ADN en una estructura compacta llamada cromatina . En eucariotas , esta estructura implica la unión del ADN a un complejo de pequeñas proteínas básicas llamadas histonas . En los procariotas , están involucrados múltiples tipos de proteínas. [8] [9] Las histonas forman un complejo en forma de disco llamado nucleosoma , que contiene dos vueltas completas de ADN bicatenario envuelto alrededor de su superficie. Estas interacciones no específicas se forman a través de residuos básicos en las histonas que forman enlaces iónicos con el esqueleto ácido de azúcar-fosfato del ADN y, por lo tanto, son en gran medida independientes de la secuencia de bases. [10] Las modificaciones químicas de estos residuos de aminoácidos básicos incluyen metilación , fosforilación y acetilación . [11] Estos cambios químicos alteran la fuerza de la interacción entre el ADN y las histonas, haciendo que el ADN sea más o menos accesible a los factores de transcripción y cambiando la velocidad de transcripción. [12] Otras proteínas de unión al ADN no específicas en la cromatina incluyen las proteínas del grupo de alta movilidad (HMG), que se unen al ADN doblado o distorsionado. [13] Los estudios biofísicos muestran que estas proteínas HMG arquitectónicas se unen, doblan y forman un bucle de ADN para realizar sus funciones biológicas. [14] [15] Estas proteínas son importantes para doblar matrices de nucleosomas y organizarlas en las estructuras más grandes que forman los cromosomas. [dieciséis]
Proteínas que se unen específicamente al ADN monocatenario
Un grupo distinto de proteínas de unión al ADN son las proteínas de unión al ADN que se unen específicamente al ADN monocatenario. En los seres humanos, la proteína de replicación A es el miembro mejor entendido de esta familia y se utiliza en procesos en los que se separa la doble hélice, incluida la replicación, recombinación y reparación del ADN. [17] Estas proteínas de unión parecen estabilizar el ADN monocatenario y protegerlo de la formación de bucles madre o de ser degradado por nucleasas .
Unión a secuencias de ADN específicas
Por el contrario, otras proteínas han evolucionado para unirse a secuencias de ADN específicas. El más estudiado de estos son los diversos factores de transcripción , que son proteínas que regulan la transcripción. Cada factor de transcripción se une a un conjunto específico de secuencias de ADN y activa o inhibe la transcripción de genes que tienen estas secuencias cerca de sus promotores. Los factores de transcripción hacen esto de dos formas. En primer lugar, pueden unirse a la ARN polimerasa responsable de la transcripción, ya sea directamente o mediante otras proteínas mediadoras; esto ubica la polimerasa en el promotor y le permite comenzar la transcripción. [18] Alternativamente, los factores de transcripción pueden unirse a enzimas que modifican las histonas en el promotor. Esto altera la accesibilidad de la plantilla de ADN a la polimerasa. [19]
Estos objetivos de ADN pueden ocurrir en todo el genoma de un organismo. Por tanto, los cambios en la actividad de un tipo de factor de transcripción pueden afectar a miles de genes. [20] Por lo tanto, estas proteínas son a menudo los objetivos de los procesos de transducción de señales que controlan las respuestas a los cambios ambientales o la diferenciación y el desarrollo celular . La especificidad de las interacciones de estos factores de transcripción con el ADN proviene de las proteínas que hacen múltiples contactos con los bordes de las bases del ADN, lo que les permite leer la secuencia de ADN. La mayoría de estas interacciones de bases se realizan en el surco principal, donde las bases son más accesibles. [21] Las descripciones matemáticas de la unión proteína-ADN que tienen en cuenta la especificidad de la secuencia y la unión competitiva y cooperativa de proteínas de diferentes tipos se realizan generalmente con la ayuda de modelos de celosía . [22] Se han propuesto métodos computacionales para identificar la especificidad de la secuencia de unión al ADN para hacer un buen uso de los abundantes datos de secuencia en la era post-genómica. [23]
Interacciones proteína-ADN
Las interacciones proteína-ADN ocurren cuando una proteína se une a una molécula de ADN , a menudo para regular la función biológica del ADN, generalmente la expresión de un gen . Entre las proteínas que se unen al ADN se encuentran los factores de transcripción que activan o reprimen la expresión génica al unirse a motivos de ADN e histonas que forman parte de la estructura del ADN y se unen a él de manera menos específica. También las proteínas que reparan el ADN , como la uracil-ADN glicosilasa, interactúan estrechamente con él.
En general, las proteínas se unen al ADN en el surco principal ; sin embargo, existen excepciones. [24] Las interacciones proteína-ADN son principalmente de dos tipos, ya sea una interacción específica o una interacción no específica. Experimentos recientes de una sola molécula demostraron que las proteínas de unión al ADN se vuelven a unir rápidamente para unirse en la orientación correcta para reconocer el sitio objetivo. [25]
Diseño
El diseño de proteínas de unión al ADN que tienen un sitio de unión al ADN específico ha sido un objetivo importante para la biotecnología. Las proteínas con dedos de zinc se han diseñado para unirse a secuencias de ADN específicas y esta es la base de las nucleasas con dedos de zinc . Recientemente se han creado nucleasas efectoras de tipo activador de la transcripción (TALEN) que se basan en proteínas naturales secretadas por las bacterias Xanthomonas a través de su sistema de secreción de tipo III cuando infectan varias especies de plantas . [26]
Métodos de detección
Existen muchas técnicas in vitro e in vivo que son útiles para detectar interacciones ADN-proteína. A continuación se enumeran algunos métodos actualmente en uso: [27] El ensayo de desplazamiento de movilidad electroforética (EMSA) es una técnica cualitativa generalizada para estudiar las interacciones proteína-ADN de proteínas de unión a ADN conocidas. [28] [29] Interacción ADN-proteína - El ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (DPI-ELISA) permite el análisis cualitativo y cuantitativo de las preferencias de unión al ADN de proteínas conocidas in vitro . [30] [31] Esta técnica permite el análisis de complejos de proteínas que se unen al ADN (DPI-Recruitment-ELISA) o es adecuada para la detección automática de varias sondas de nucleótidos debido a su formato de placa ELISA estándar [32] [33] . El ensayo de huella de ADNasa puede usarse para identificar los sitios específicos de unión de una proteína al ADN en la resolución de pares de bases. [34] La inmunoprecipitación de cromatina se utiliza para identificar las regiones diana de ADN in vivo de un factor de transcripción conocido. Esta técnica cuando se combina con secuenciación de alto rendimiento se conoce como ChIP-Seq y cuando se combina con microarrays se conoce como ChIP-chip . El sistema de levadura de un solo híbrido (Y1H) se utiliza para identificar qué proteína se une a un fragmento de ADN en particular. El sistema de un híbrido bacteriano (B1H) se usa para identificar qué proteína se une a un fragmento de ADN en particular. La determinación de la estructura mediante cristalografía de rayos X se ha utilizado para proporcionar una vista atómica muy detallada de las interacciones proteína-ADN. Además de estos métodos, en el laboratorio se utilizan otras técnicas como SELEX, PBM (microarrays de unión a proteínas), pantallas de microarrays de ADN, DamID, FAIRE o, más recientemente, DAP-seq para investigar la interacción ADN-proteína in vivo e in vitro .
Manipulando las interacciones
Las interacciones proteína-ADN se pueden modular mediante estímulos como la fuerza iónica del tampón, el apiñamiento macromolecular, [35] temperatura, pH y campo eléctrico. Esto puede conducir a una disociación / asociación reversible del complejo proteína-ADN. [36] [37]
Ver también
- dominio bZIP
- ChIP-exo
- Comparación de software de simulación de ácidos nucleicos
- Dominio de unión al ADN
- Hélice-bucle-hélice
- Hélice-vuelta-hélice
- Caja HMG
- Cremallera de leucina
- Lexitropsina (un ligando de unión al ADN semisintético)
- Desoxirribonucleoproteína
- Software de predicción del sitio de interacción proteína-ADN
- Proteína de unión a ARN
- Proteína de unión monocatenaria
- Dedo de zinc
Referencias
- ^ Creado a partir de PDB 1LMB
- ^ Creado a partir de PDB 1RVA
- ^ Travers, AA (1993). Interacciones ADN-proteína . Londres: Springer. ISBN 978-0-412-25990-6.
- ^ Pabo CO, Sauer RT (1984). "Reconocimiento proteína-ADN". Annu. Rev. Biochem . 53 (1): 293–321. doi : 10.1146 / annurev.bi.53.070184.001453 . PMID 6236744 .
- ^ Dickerson RE (1983). "La hélice del ADN y cómo se lee". Sci Am . 249 (6): 94-111. Código Bibliográfico : 1983SciAm.249f..94D . doi : 10.1038 / scientificamerican1283-94 .
- ^ Zimmer C, Wähnert U (1986). "Ligandos de unión al ADN no intercalados: especificidad de la interacción y su uso como herramientas en investigaciones biofísicas, bioquímicas y biológicas del material genético" . Prog. Biophys. Mol. Biol . 47 (1): 31–112. doi : 10.1016 / 0079-6107 (86) 90005-2 . PMID 2422697 .
- ^ Dervan PB (abril de 1986). "Diseño de moléculas de unión a ADN específicas de secuencia". Ciencia . 232 (4749): 464–71. Código Bibliográfico : 1986Sci ... 232..464D . doi : 10.1126 / science.2421408 . PMID 2421408 .
- ^ Sandman K, Pereira S, Reeve J (1998). "Diversidad de proteínas cromosómicas procariotas y origen del nucleosoma". Cell Mol Life Sci . 54 (12): 1350–64. doi : 10.1007 / s000180050259 . PMID 9893710 . S2CID 21101836 .
- ^ Dame RT (2005). "El papel de las proteínas asociadas a nucleoides en la organización y compactación de la cromatina bacteriana" . Mol. Microbiol . 56 (4): 858–70. doi : 10.1111 / j.1365-2958.2005.04598.x . PMID 15853876 .
- ^ Luger K, Mäder A, Richmond R, Sargent D, Richmond T (1997). "Estructura cristalina de la partícula del núcleo del nucleosoma con una resolución de 2,8 A". Naturaleza . 389 (6648): 251–60. Código Bibliográfico : 1997Natur.389..251L . doi : 10.1038 / 38444 . PMID 9305837 . S2CID 4328827 .
- ^ Jenuwein T, Allis C (2001). "Traducir el código de histonas". Ciencia . 293 (5532): 1074–80. CiteSeerX 10.1.1.453.900 . doi : 10.1126 / science.1063127 . PMID 11498575 . S2CID 1883924 .
- ^ Ito T (2003). "Montaje y remodelación de nucleosomas". Montaje y remodelación de nucleosomas . Curr Top Microbiol Immunol . Temas de actualidad en microbiología e inmunología. 274 . págs. 1–22. doi : 10.1007 / 978-3-642-55747-7_1 . ISBN 978-3-642-62909-9. PMID 12596902 .
- ^ Thomas J (2001). "HMG1 y 2: proteínas de unión a ADN arquitectónicas". Biochem Soc Trans . 29 (Pt 4): 395–401. doi : 10.1042 / BST0290395 . PMID 11497996 .
- ^ Murugesapillai, Divakaran; McCauley, Micah J .; Huo, Ran; Nelson Holte, Molly H .; Stepanyants, Armen; Maher, L. James; Israeloff, Nathan E .; Williams, Mark C. (2014). "La formación de puentes y bucles de ADN por HMO1 proporciona un mecanismo para estabilizar la cromatina libre de nucleosomas" . Investigación de ácidos nucleicos . 42 (14): 8996–9004. doi : 10.1093 / nar / gku635 . PMC 4132745 . PMID 25063301 .
- ^ Murugesapillai, Divakaran; McCauley, Micah J .; Maher, L. James; Williams, Mark C. (2017). "Estudios de molécula única de proteínas de flexión del ADN arquitectónico del grupo B de alta movilidad" . Revisiones biofísicas . 9 (1): 17–40. doi : 10.1007 / s12551-016-0236-4 . PMC 5331113 . PMID 28303166 .
- ^ Grosschedl R, Giese K, Pagel J (1994). "Proteínas de dominio HMG: elementos arquitectónicos en el ensamblaje de estructuras de nucleoproteínas". Trends Genet . 10 (3): 94–100. doi : 10.1016 / 0168-9525 (94) 90232-1 . PMID 8178371 .
- ^ Iftode C, Daniely Y, Borowiec J (1999). "Proteína de replicación A (RPA): la SSB eucariota". Crit Rev Biochem Mol Biol . 34 (3): 141–80. doi : 10.1080 / 10409239991209255 . PMID 10473346 .
- ^ Myers L, Kornberg R (2000). "Mediador de la regulación transcripcional". Annu Rev Biochem . 69 (1): 729–49. doi : 10.1146 / annurev.biochem.69.1.729 . PMID 10966474 .
- ^ Spiegelman B, Heinrich R (2004). "Control biológico mediante coactivadores transcripcionales regulados". Celular . 119 (2): 157–67. doi : 10.1016 / j.cell.2004.09.037 . PMID 15479634 . S2CID 14668705 .
- ^ Li Z, Van Calcar S, Qu C, Cavenee W, Zhang M, Ren B (2003). "Un papel regulador transcripcional global para c-Myc en células de linfoma de Burkitt" . Proc Natl Acad Sci USA . 100 (14): 8164–9. Código Bibliográfico : 2003PNAS..100.8164L . doi : 10.1073 / pnas.1332764100 . PMC 166200 . PMID 12808131 .
- ^ Pabo C, Sauer R (1984). "Reconocimiento proteína-ADN". Annu Rev Biochem . 53 (1): 293–321. doi : 10.1146 / annurev.bi.53.070184.001453 . PMID 6236744 .
- ^ Teif VB; Rippe K. (2010). "Modelos de celosía estadístico-mecánica para la unión proteína-ADN en cromatina". Revista de física: materia condensada . 22 (41): 414105. arXiv : 1004.5514 . Código bibliográfico : 2010JPCM ... 22O4105T . doi : 10.1088 / 0953-8984 / 22/41/414105 . PMID 21386588 . S2CID 103345 .
- ^ Wong KC, Chan TM, Peng C, Li Y, Zhang Z (2013). "Aclaración de motivos de ADN mediante la propagación de creencias" . Investigación de ácidos nucleicos . 41 (16): e153. doi : 10.1093 / nar / gkt574 . PMC 3763557 . PMID 23814189 .
- ^ Bewley CA, Gronenborn AM, Clore GM (1998). "Proteínas arquitectónicas de unión a surcos menores: estructura, función y reconocimiento de ADN" . Annu Rev Biophys Biomol Struct . 27 : 105–31. doi : 10.1146 / annurev.biophys.27.1.105 . PMC 4781445 . PMID 9646864 .
- ^ Ganji, Mahipal; Docter, Margreet; Le Grice, Stuart FJ; Abbondanzieri, Elio A. (30 de septiembre de 2016). "Las proteínas de unión al ADN exploran múltiples configuraciones locales durante el acoplamiento mediante una rápida unión" . Investigación de ácidos nucleicos . 44 (17): 8376–8384. doi : 10.1093 / nar / gkw666 . ISSN 0305-1048 . PMC 5041478 . PMID 27471033 .
- ^ Clark KJ, Voytas DF, Ekker SC (septiembre de 2011). "UNA HISTORIA de dos nucleasas: ¿orientación genética para las masas?" . Pez cebra . 8 (3): 147–9. doi : 10.1089 / zeb.2011.9993 . PMC 3174730 . PMID 21929364 .
- ^ Cai YH, Huang H (julio de 2012). "Avances en el estudio de la interacción proteína-ADN". Aminoácidos . 43 (3): 1141–6. doi : 10.1007 / s00726-012-1377-9 . PMID 22842750 . S2CID 310256 .
- ^ Fried M, Crothers DM (1981). "Equilibrios y cinética de interacciones represor-operador lac por electroforesis en gel de poliacrilamida" . Ácidos nucleicos Res . 9 (23). doi : 10.1093 / nar / 9.23.6505 . PMC 327619 . PMID 6275366 .
- ^ Garner MM, Revzin A (1981). "Un método de electroforesis en gel para cuantificar la unión de proteínas a regiones específicas de ADN: aplicación a componentes del sistema regulador del operón lactosa de Escherichia coli" . Ácidos nucleicos Res . 9 (13). doi : 10.1093 / nar / 9.13.3047 . PMC 327330 . PMID 6269071 .
- ^ Marca LH, Kirchler T, Hummel S, Chaban C, Wanke D (2010). "DPI-ELISA: un método rápido y versátil para especificar la unión de factores de transcripción de plantas al ADN in vitro" . Métodos vegetales . 25 (6). doi : 10.1186 / 1746-4811-6-25 . PMID 21108821 .
- ^ Fischer SM, Böser A, Hirsch JP, Wanke D (2016). "Análisis cuantitativo de la interacción proteína-ADN mediante qDPI-ELISA". Methods Mol. Biol. (1482): 49–66. doi : 10.1007 / 978-1-4939-6396-6_4 . PMID 27557760 .
- ^ Hecker A, Brand LH, Peter S, Simoncello N, Kilian J, Harter K, Gaudin V, Wanke D (2015). "El factor de unión a GAGA de Arabidopsis PENTACYSTEINE6 BÁSICO recluta el componente COMPLEJO REPRESIVO DE POLICOMB1 COMO LA PROTEÍNA1 DE HETEROCROMATINA a motivos de ADN de GAGA" . Plant Physiol . 163 (3): 1013–1024. doi : 10.1104 / pp.15.00409 . PMID 26025051 .
- ^ Marca LH, Henneges C, Schüssler A, Kolukisaoglu HÜ, Koch G, Wallmeroth N, Hecker A, Thurow K, Zell A, Harter K, Wanke D (2013). "Detección de interacciones proteína-ADN mediante ELISA automatizable de interacción ADN-proteína" . PLoS One . 8 (10). doi : 10.1371 / journal.pone.0075177 . PMID 24146751 .
- ^ Galas DJ, Schmitz A (1978). "Huella de ADNasa: un método simple para la detección de especificidad de unión proteína-ADN" . Ácidos nucleicos Res . 5 (9): 3157–3170. doi : 10.1093 / nar / 5.9.3157 . PMC 342238 . PMID 212715 .
- ^ Ganji, Mahipal; Docter, Margreet; Grice, Stuart FJ Le; Abbondanzieri, Elio A. (30 de septiembre de 2016). "Las proteínas de unión al ADN exploran múltiples configuraciones locales durante el acoplamiento mediante una rápida unión" . Investigación de ácidos nucleicos . 44 (17): 8376–8384. doi : 10.1093 / nar / gkw666 . ISSN 0305-1048 . PMC 5041478 . PMID 27471033 .
- ^ Hianik T, Wang J (2009). "Aptasensores electroquímicos - Perspectivas y logros recientes". Electroanálisis . 21 (11): 1223-1235. doi : 10.1002 / elan.200904566 .
- ^ Gosai A y col. (2016). "Enlace controlado por estímulo eléctrico / desvinculación del complejo humano de trombina-aptámero" . Sci. Rep . 6 : 37449. Bibcode : 2016NatSR ... 637449G . doi : 10.1038 / srep37449 . PMC 5118750 . PMID 27874042 .
enlaces externos
- Unión proteína-ADN: datos, herramientas y modelos (lista anotada, actualizada constantemente)
- Herramienta de abulón para modelar interacciones ADN-ligando.
- Base de datos DBD de factores de transcripción predichos Utiliza un conjunto seleccionado de dominios de unión al ADN para predecir factores de transcripción en todos los genomas completamente secuenciados
- Unión de ADN + proteínas en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .