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| Bac_DNA_結合 | |||||||||
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 アナベナ hu-dna 共結晶構造 (ahu6) | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| シンボル | Bac_DNA_結合 | ||||||||
| パム | PF00216 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| プロサイト | PDOC00044 | ||||||||
| SCOP2 | 1hue / スコープ / SUPFAM | ||||||||
| 医療機器 | cd00591 | ||||||||
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分子生物学では、細菌のDNA結合タンパク質は、DNAに結合する約90残基の小さな、通常は基本的な タンパク質のファミリーであり、ヒストン様タンパク質として知られています。[1] [2]細菌結合タンパク質は多様な機能を持つため、それらすべてに共通の機能を開発することは困難でした。それらは一般にヒストン様と呼ばれ、真核生物のヒストンタンパク質と多くの類似点を持っています。真核生物のヒストンはDNAをパッケージ化して核内に収まるようにするものであり、自然界で最も保存されているタンパク質として知られています。[3]例としては、大腸菌のHUタンパク質が挙げられます。これは密接に関連したα鎖とβ鎖の二量体であり、他の細菌では同一鎖の二量体である可能性があります。HU型タンパク質は、さまざまな細菌（シアノバクテリアを含む）と古細菌で発見されており、一部の藻類の葉緑体ゲノムにもコードされています。[4]統合宿主因子（IHF）は、遺伝子組換えだけでなく翻訳および転写制御にも機能することが示唆されている密接に関連した鎖の二量体であり[5] 、腸内細菌やアフリカ豚コレラウイルスタンパク質A104R（またはLMW5-AR）などのウイルスタンパク質に見られます。 [6]
このファミリーは、渦鞭毛藻類として知られる真核生物のグループにも見られます。これらの渦鞭毛藻類ヒストン様タンパク質は、一部の渦鞭毛藻類のヒストンを置き換え、DNAを液晶状態にパッケージ化します。[7]
歴史
ヒストン様タンパク質は、多くの真正細菌、シアノバクテリア、および古細菌に存在します。これらのタンパク質は、すべての DNA 依存機能に関与しています。これらのプロセスでは、細菌の DNA 結合タンパク質が構築的な役割を果たし、転写、組み換え、複製、またはその他の DNA 依存プロセスの進行中に構造の完全性を維持します。真核生物のヒストンは、0.4M NaClでの実験で初めて発見されました。このような高塩濃度では、一本鎖 DNA がセルロースに共有結合している DNA 溶液から真核生物のヒストンタンパク質が溶出されます。溶出後、タンパク質は容易に DNA に結合し、DNA に対するタンパク質の高い親和性を示しています。真核生物のヒストンと HU タンパク質の類似性が注目されるまで、ヒストン様タンパク質が細菌に存在することは知られていませんでした。特に、両方のタンパク質の豊富さ、塩基性、および小さいサイズが原因でした。 [8]さらに調査を進めると、 HUのアミノ酸組成が真核生物のヒストンのそれに似ていることがわかり、細菌DNA結合タンパク質の正確な機能に関するさらなる研究と細菌内の他の関連タンパク質の発見につながりました。
DNA複製における役割
研究によると、細菌のDNA結合タンパク質はDNA複製中に重要な役割を果たしていることが示唆されています。このタンパク質はラギング鎖の安定化に関与し、DNAポリメラーゼIIIと相互作用します。大腸菌細胞におけるDNA複製中の一本鎖DNA結合（SSB）タンパク質の役割、特にさまざまな塩濃度の環境におけるSSBとDNAポリメラーゼIIIのχサブユニットとの相互作用が研究されてきました。[9]
ラギング鎖部位での DNA 複製では、DNA ポリメラーゼ III がDNA 結合タンパク質からヌクレオチドを個別に除去します。不安定な SSB/DNA システムは SSB の急速な分解を招き、DNA 複製が停止します。研究により、ssDNA は SSB と大腸菌の DNA ポリメラーゼ III の χ サブユニットの相互作用によって安定化され、酵素の ssDNA への結合親和性を高める正しい構造を維持することで複製の準備を整えることがわかっています。さらに、複製フォークで SSB が DNA ポリメラーゼ III に結合すると SSB の解離が防止され、結果として DNA ポリメラーゼ III による新しい DNA 鎖の合成効率が向上します。
例
H-NS
当初、細菌 DNA 結合タンパク質は細菌 DNA を安定化させるのに役立つと考えられていました。現在では、ヒストン様核様体構造タンパク質H-NSによる遺伝子発現の調節など、細菌 DNA 結合タンパク質のさらに多くの機能が発見されています。
H-NSは約15.6 kDaで、細菌内で特定の遺伝子を抑制および活性化することで細菌転写の調節を補助します。H-NSは固有の曲率でDNAに結合します。大腸菌では、H-NSはP1プロモーターに結合し、定常期および低成長期にrRNA産生を減少させます。RNAポリメラーゼとH-NS DNA結合タンパク質は結合部位が重複しており、H-NSは転写開始部位に作用してrRNA産生を調節すると考えられています。H-NSとRNAポリメラーゼは両方ともP1プロモーターに結合して複合体を形成することがわかっています。H-NSがRNAポリメラーゼとともにプロモーター領域に結合すると、DNAにアクセスできる構造上の違いが生じます。[11] H-NSはmRNAに結合してその分解を引き起こすことで翻訳にも影響を与えることがわかっています。
ヒュー
HU は、小さな (10 kDa [12] ) 細菌 DNA 結合タンパク質で、真核生物のヒストンとは構造的に異なりますが、機能的にはヒストンと同様に働き、トポイソメラーゼの助けを借りて環状 DNA に負のスーパーコイルを誘導します。このタンパク質は、DNA の複製、組み換え、修復に関与していると考えられています。α ヘリカル疎水性コアと 2 つの正に帯電した β リボン アームを持つ HU は、dsDNA に非特異的に低親和性で結合しますが、ジャンクション、ニック、ギャップ、フォーク、オーバーハングなどの変化した DNA には高親和性で結合します。アームは低親和性状態で DNA のマイナー グルーブに結合します。高親和性状態では、α ヘリカル コアのコンポーネントが DNA とも相互作用します。ただし、このタンパク質の機能は DNA だけに限定されているわけではありません。HU は、スーパーコイル DNA と同じ親和性で RNA および DNA-RNA ハイブリッドにも結合します。[13]
最近の研究では、HUがRNAポリメラーゼのストレスシグマ因子の転写産物であるrpoS [14]のmRNAに高い特異性で結合し、タンパク質の翻訳を刺激することが明らかになっています。このRNA機能に加えて、HUはH-NSを抑制することで転写を制御し、rpoSの発現を増加させることで翻訳を刺激する小さな非コードRNAであるDsrAに結合することも実証されています。これらの相互作用は、HUが細菌細胞の 転写と翻訳にさまざまな影響を与えることを示唆しています。
国際高周波
統合宿主因子（IHF）は、グラム陰性細菌にのみ見られる核様体関連タンパク質ではない。[15] これは20kDaのヘテロ二量体で、5'-WATCAANNNNTTR-3'配列に結合し、DNAを約160度曲げるαサブユニットとβサブユニットで構成される。[16] IHFのβアームには、DNAのねじれを安定化させるプロリン残基がある。これらのねじれはDNAを圧縮し、スーパーコイル化を可能にする。DNAへの結合モードは、存在するイオンの濃度などの環境要因に依存する。KClの濃度が高いと、DNAの曲がりは弱くなる。KClの濃度が100mM未満でIHFが濃縮されていない場合、DNAの曲がりはより鋭くなることがわかっている。[17]
IHFは、 λファージを大腸菌に組み換えるために必要な補因子として発見されました。 2016年に、IHFはCRISPRタイプIおよびタイプIIシステムでも重要な役割を果たしていることが発見されました。IHFは、Cas1-Cas2複合体が新しいスペーサーをCRISPR配列に組み込むことを可能にする上で重要な役割を果たしています。IHFによるDNAの曲げは、DNAの主溝と副溝の間隔を変え、Cas1-Cas2複合体がDNA塩基と接触できるようにすると考えられています。[18]これは、新しいスペーサーが常にリーダー配列の隣のCRISPR配列の先頭に追加されることを保証するため、CRISPRシステムの重要な機能です。IHFによるこの組み込みの指示により、スペーサーが時系列に追加され、最新のウイルス感染に対する保護が向上します。[19]
比較
意味とさらなる研究
細菌DNA結合タンパク質の機能はDNA複製に限定されません。研究者はこれらのタンパク質が影響を及ぼす他の経路を調査してきました。DNA結合タンパク質H-NSは染色体構成と遺伝子調節において役割を果たすことが知られていますが、最近の研究では鞭毛機能の間接的な調節における役割も確認されています。[20] H-NSが影響を及ぼす運動調節連鎖には、メッセンジャー分子Cyclic di-GMP、バイオフィルム調節タンパク質CsgD、シグマ因子σ(S)とσ(F)が含まれます。さらなる研究では、この核様体構成タンパク質が他の調節経路を通じて細胞の運動性にどのように影響するかを特徴付けることを目的としています。
他の研究者は、細菌DNA結合タンパク質を使用してサルモネラ・エンテリカ血清型チフス菌を研究しており、マクロファージ感染によりT6SS遺伝子が活性化される。チフス菌が感染すると、T6SS H-NSサイレンシングによる感知・殺菌機構により効率が向上する。[21]レポーター融合、電気泳動移動度シフトアッセイ、DNaseフットプリント、蛍光顕微鏡を組み合わせたアッセイが作成され、ヒストン様核様体構造H-NSタンパク質によってT6SS遺伝子クラスターをサイレンシングする。
参照
参考文献
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