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DNA結合タンパク質は、DNA結合ドメインを持ち、一本鎖または二本鎖DNAに対して特異的または一般的な親和性を持つタンパク質である。[3] [4] [5]配列特異的DNA結合タンパク質は、塩基対を識別する官能基がより多く露出しているため、一般的にB-DNAの主溝と相互作用する。[6] [7]
例
DNA 結合タンパク質には、転写の過程を調節する転写因子、さまざまなポリメラーゼ、 DNA 分子を切断するヌクレアーゼ、細胞核内で染色体のパッケージングと転写に関与するヒストンが含まれます。DNA 結合タンパク質には、核酸への結合を促進するジンクフィンガー、ヘリックスターンヘリックス、ロイシンジッパーなどのドメイン (その他多数) を組み込むことができます。転写活性化因子のようなエフェクターなどのより珍しい例もあります。
非特異的DNA-タンパク質相互作用
DNAに結合する構造タンパク質は、非特異的なDNA-タンパク質相互作用のよく知られた例である。染色体内で、DNAは構造タンパク質との複合体で保持されている。これらのタンパク質はDNAをクロマチンと呼ばれるコンパクトな構造に組織化する。真核生物では、この構造はヒストンと呼ばれる小さな塩基性タンパク質の複合体へのDNAの結合を伴う。原核生物では、複数の種類のタンパク質が関与している。[8] [9]ヒストンはヌクレオソームと呼ばれる円盤状の複合体を形成し、その表面には2つの完全な二本鎖DNAが巻き付いている。これらの非特異的相互作用は、ヒストンの塩基性残基がDNAの酸性糖リン酸骨格にイオン結合することによって形成されるため、塩基配列からはほとんど独立している。[10] これらの塩基性アミノ酸残基の化学修飾には、メチル化、リン酸化、アセチル化がある。[11]これらの化学変化は、DNAとヒストンの相互作用の強さを変え、DNAが転写因子にアクセスしやすくなり、転写速度が変わります。[12]クロマチン内の他の非特異的DNA結合タンパク質には、曲がったり歪んだりしたDNAに結合する高移動度グループ（HMG）タンパク質があります。[13]生物物理学的研究では、これらの構造的HMGタンパク質がDNAに結合し、曲げたりループしたりして生物学的機能を果たすことが示されています。[14] [15]これらのタンパク質は、ヌクレオソームの配列を曲げ、染色体を形成するより大きな構造に配置するのに重要です。[16]最近、FK506結合タンパク質25（FBP25）もDNAに非特異的に結合し、DNA修復を助けることが示されました。[17]
一本鎖DNAに特異的に結合するタンパク質
DNA結合タンパク質の独特なグループは、一本鎖DNAに特異的に結合するDNA結合タンパク質です。ヒトでは、複製タンパク質Aがこのファミリーのメンバーの中で最もよく理解されており、DNA複製、組み換え、DNA修復など、二重らせんが分離されるプロセスで使用されます。[18]これらの結合タンパク質は、一本鎖DNAを安定化させ、ステムループの形成やヌクレアーゼによる分解から保護するようです。
特定のDNA配列への結合
対照的に、他のタンパク質は特定の DNA 配列に結合するように進化してきました。これらの中で最も集中的に研究されているのは、転写を制御するタンパク質であるさまざまな転写因子です。各転写因子は特定の DNA 配列セットに結合し、プロモーター付近にこれらの配列を持つ遺伝子の転写を活性化または阻害します。転写因子は 2 つの方法でこれを行います。まず、転写を担う RNA ポリメラーゼに直接または他のメディエータータンパク質を介して結合します。これにより、ポリメラーゼがプロモーターに配置され、転写を開始できるようになります。[19]また、転写因子はプロモーターでヒストンを修飾する酵素に結合することもできます。これにより、DNA テンプレートのポリメラーゼへのアクセス性が変わります。[20]
これらの DNA ターゲットは、生物のゲノム全体に発生する可能性があります。したがって、1 種類の転写因子の活性の変化は、数千の遺伝子に影響を与える可能性があります。[ 21]そのため、これらのタンパク質は、環境の変化や細胞の分化と発達に対する応答を制御するシグナル伝達プロセスのターゲットとなることがよくあります。これらの転写因子と DNA の相互作用の特異性は、タンパク質が DNA 塩基の端に複数の接触を行い、 DNA 配列を読み取ることができることに由来します。これらの塩基相互作用のほとんどは、塩基が最もアクセスしやすい主溝で行われます。[22]配列特異性、および異なる種類のタンパク質の競合的および協調的結合を考慮したタンパク質-DNA 結合の数学的記述は、通常、格子モデルの助けを借りて実行されます。[23]ポストゲノム時代の豊富な配列データを有効に活用するために、DNA 結合配列特異性を識別する計算方法が提案されています。[24]さらに、ディープラーニングを使用してタンパク質ファミリー間の結合特異性を構造に基づいて予測する進歩がありました。[25]
タンパク質とDNAの相互作用
タンパク質と DNA の相互作用は、タンパク質がDNA分子に結合することで発生し、多くの場合はDNA の生物学的機能、通常は遺伝子の発現を調節します。DNA に結合するタンパク質には、DNA モチーフに結合して遺伝子発現を活性化または抑制する転写因子や、DNA 構造の一部を形成して DNA にあまり特異的に結合しないヒストンなどがあります。また、ウラシル DNA グリコシラーゼなどのDNA を修復するタンパク質もDNA と密接に相互作用します。
一般的に、タンパク質は主溝でDNAに結合しますが、例外もあります。[26]タンパク質-DNA相互作用には、主に特異的相互作用と非特異的相互作用の2種類があります。最近の単分子実験では、DNA結合タンパク質は、標的部位を認識するために正しい向きで結合するために、急速な再結合を起こすことが示されました。[27]
デザイン
特定のDNA結合部位を持つDNA結合タンパク質の設計は、バイオテクノロジーの重要な目標でした。ジンクフィンガータンパク質は特定のDNA配列に結合するように設計されており、これがジンクフィンガーヌクレアーゼの基礎となっています。最近、転写活性化因子様エフェクターヌクレアーゼ（TALEN）が作られましたが、これはキサントモナス細菌がさまざまな植物種に感染したときにタイプIII分泌システムを介して分泌される天然タンパク質に基づいています。[28]
検出方法
DNA-タンパク質相互作用の検出に有用なin vitroおよびin vivo技術は多数あります。現在使用されている方法のいくつかを以下に示します。 [29] 電気泳動移動度シフトアッセイ（EMSA）は、既知のDNA結合タンパク質のタンパク質-DNA相互作用を研究するための広く普及した定性技術です。[30] [31] DNA-タンパク質相互作用-酵素結合免疫吸着アッセイ（DPI-ELISA）は、in vitroで既知のタンパク質のDNA結合優先度の定性および定量分析を可能にします。[32] [33]この技術は、DNAに結合するタンパク質複合体の分析（DPI-リクルートメント-ELISA）を可能にし、標準のELISAプレートフォーマットのため、いくつかのヌクレオチドプローブの自動スクリーニングに適しています。[34] [35] DNaseフットプリントアッセイは、塩基対解像度でタンパク質がDNAに結合する特定の部位を特定するために使用できます。[36] クロマチン免疫沈降は、既知の転写因子のin vivo DNA標的領域を特定するために使用されます。この技術は、ハイスループットシーケンシングと組み合わせるとChIP-Seqとして知られ、マイクロアレイと組み合わせるとChIP-chipとして知られています。酵母ワンハイブリッドシステム(Y1H) は、どのタンパク質が特定の DNA 断片に結合するかを識別するために使用されます。細菌ワンハイブリッドシステム(B1H) は、どのタンパク質が特定の DNA 断片に結合するかを識別するために使用されます。X線結晶構造解析を使用した構造決定は、タンパク質と DNA の相互作用の非常に詳細な原子ビューを提供するために使用されてきました。これらの方法の他に、SELEX、PBM (タンパク質結合マイクロアレイ)、DNA マイクロアレイスクリーン、DamID、FAIRE、または最近では DAP-seq などの他の技術が、in vivoおよびin vitroでの DNA-タンパク質相互作用を研究室で調査するために使用されています。
相互作用を操作する
タンパク質-DNA相互作用は、緩衝液のイオン強度、高分子の密集、[27]温度、pH、電場などの刺激によって調節することができ、これによりタンパク質-DNA複合体の可逆的な解離/会合が起こり得る。[37] [38]
参照
- bZIPドメイン
- ChIP-エキソ
- 核酸シミュレーションソフトウェアの比較
- DNA結合ドメイン
- ヘリックス-ループ-ヘリックス
- ヘリックスターンヘリックス
- HMGボックス
- ロイシンジッパー
- レキシトロプシン（半合成DNA結合リガンド）
- デオキシリボ核タンパク質
- タンパク質-DNA相互作用部位予測ソフトウェア
- RNA結合タンパク質
- 一本鎖結合タンパク質
- 亜鉛フィンガー
参考文献
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外部リンク
- タンパク質-DNA結合: データ、ツール、モデル (注釈付きリスト、常に更新)
- DNA-リガンド相互作用をモデル化するための Abalone ツール。
- 予測転写因子のDBDデータベース 厳選されたDNA結合ドメインセットを使用して、完全に配列決定されたすべてのゲノムの転写因子を予測します。
- 米国国立医学図書館医学件名標目(MeSH)の DNA 結合 + タンパク質
