DNK-vezujući protein

Proteini koji vezuju DNK uključuju transkripcijske faktore koji moduliraju proces transkripcije, razne polimeraze, nukleaze koje režu i degradiraju molekule DNK i histone koji su uključeni u hromosomsko pakovanje i proces transkripcije u ćelijskom jedru. Proteini koji vezuju DNK mogu unijeti domene kao što su cinkovi prsti, heliks-žiro-heliks (HTH) i leucinski zatvarač (između mnogih drugih) koji olakšava vezivanje nukleinskih kiselina. Postoje i manje česti primjeri aktivatora transkripcije, kao što su efektori.

Strukturni proteini koji se vežu za DNK dobro su poznati primjeri nespecifičnih interakcija protein-DNK. Unutar hromosoma, DNK se konzervira u kompleksima sa strukturnim proteinima. Ovi proteini organizuju DNK u kompaktnu strukturu zvanu hromatin. U eukariotima, ova struktura uključuje vezanje DNK za kompleks malih osnovnih proteina koji se zovu histoni.^[8][9] U prokariotima je uključeno više gtipova proteina. Histoni formiraju kompleks u obliku diska koji se zove nukleosom, koji sadrži dva potpuna okreta upredene zavojnice DNK omotane oko njegove površine. Ove nespecifične interakcije formiraju se preko osnovnih tastatura u histonima koji formiraju ionske veze sa kiselom strukturom šećerno-fosfatneveze DNK i zbog toga su uglavnom neovisne o osnovnoj sekvenci.

Hemijske modifikacije koje ove esencijalne aminokiseline mogu da prođu uključuju metilaciju, fosforilaciju i acetilaciju. Ove hemijske promjene mijenjaju snagu interakcije između DNK i histona, što čini DNK manje-više dostupnom faktorima transkripcije, mijenjajući tako brzinu transkripcije. Drugi nespecifični proteini vezani za DNK u hromatinu uključuju proteine grupe visoke pokretljivosti (HMG) koji se vežu za presavijenu DNK. Biofizičke studije koje su sprovedene pokazuju da se ovi HMG arhitektonski proteini vežu i savijaju zajedno formirajući DNK petlju, kako bi izvršili svoje biološke funkcije. Ovi proteini su važni za sklopive grupe nukleosoma i organizovanje u veće strukture koje na kraju gradeu hromosome.^{[10][11][12][13][14][15]}

Različita grupa proteina koji vežu DNK su proteini koji se posebno vežu za jednostruku DNK. Kod ljudi, replikacijski protein A je najistudiraniji i najistaknutiji od ove porodice i koristi se u procesima u kojima dolazi do dvostrukog otvaranja heliksa, kao što su replikacija DNK, homologna rekombinacija i popravak DNK.Ovi vezani proteini stabilizuju jednostruku DNK i štite je od formiranja struktura petlje ili od degradacije nukleazama.^[16]

Suprotno tome, drugi proteini su evoluirali da se vežu za specifične sekvence DNK. Najistudiraniji su transkripcijski faktori, a to su proteini koji reguliraju transkripciju određenih gena na specifičan način. Svaki transkripcjskii faktor pridružuje se specifičnom skupu sekvenci DNK i aktivira ili inhibira transkripciju onih gena koji prezentiraju ove sekvence u njihovim promotorima. Transkripcijski faktori to čine na dva načina.

• Prvo, mogu se vezati za RNK-polimeraze odgovorne za transkripciju, bilo direktno ili preko drugih posredujućih proteina; ovo locira polimeraza u promotoru i omogućuje mu da započne transkripciju.^{[17][18][19][20]}
• Alternativno, transkripcijski faktori mogu se vezati za enzime koji modificiraju histone u promotoru. Ovo mijenja pristupačnost polimeraza u DNK kalupu.

Ove ciljne sekvence mogu se distribuirati na različitim tačkama u cijelom genomu organizma. Stoga, promjene u aktivnosti određenog faktora transkripcije mogu utiti na hiljade gena (koji se zovu plejotropni efekt). Tako su ti proteini često ciljevi procesa transdukcija signala koji kontroliraju odgovore na promjene u okolišu ili razvoj i diferenciaciju ćelija. Specifičnost interakcija ovih transkripcijskih faktora sa DNK dolazi od specifičnih interakcija koje se dešavaju sa nukleotidima,što im omogućava da prepoznaju sekvencu DNK. Većina ovih interakcija sa bazama dešavala se tamo gdje su baze pristupačnije. Matematički opisi vezanja DNK-proteina koji uzimaju u obzir specifičnost sekvence i konkurentno i kooperativno vezivanje proteina različitih tipova obično se izrađuju uz pomoć modela mreže. Predloženi su kompjuterski metodi identifikacije specifičnosti sekvence koja veže DNK, kako bi se dobro koristili podaci o obilju sekvenci u postgenomskoj epohi.^[21]

Interakcije proteina i DNK javljaju se kada je protein vezan za molekulu DNK, često radi reguliranja ekspresije date DNK, obično ekspresije gena. Među proteinima koji se vežu za DNK su transkripcijski faktori koji aktiviraju ili potiskuju ekspresiju gena, vežući se za motive DNK i histone koji su dio strukture DNK i vezuju se za nju na manje specifičan način. Također proteini koji popravljaju DNK, bkao što je uracil-DNK glikozilaza, usko su u interakciji s njom.^[22][23]Općenito, proteini se vežu za DNK u većem utoru, ali postoje izuzeci. Interakcije proteina i DNK su uglavnom dva tipa: specifične ili nespecifične. Nedavni jednomolekulski eksperimenti pokazali su da se proteini koji vežu DNK brzo opet vežu tako da se vezanje DNK dogodi u ispravnoj orijentaciji i tako prepoznaju ciljnu sekvencu.

Dizajn DNK-vezanih proteina koji imaju specifično mjesto vezanja bio je i glavni je izazov u okviru oblasti biotehnologija. Proteini su dizajnirani sa cinkovim prstima da se vežu za specifične sekvence DNK, što je osnova nukleaza sa cinkovim prstima koje se koriste kao biotehnološki alat. Nedavno su stvorene i nukleaze tipa efectoza (TALEN) koje se zasnivaju na prirodnim proteinima koje izluči bakterija Xanthomonas preko sistema lučenja tipa III kada zaraze razne biljne vrste.^[24]

Postoji nekoliko tehnika in vivo i in vitro, koje su korisne za otkrivanje interakcija proteina i DNK. U nastavku su nabrojane neki metodi koje su još u upotrebi:^[25][26][27]

• Gelni esej EMSA: je generalizirana kvalitetna tehnika za proučavanje interakcija protein-DNK poznatih transkripcijskih faktora.
• Interakcija protein-DNA- enzim-vezani imunosorbentni esej (DPI-ELISA): Ova tehnika omogućava kvalitativno i kvantitativno analiziranje preferencija vezanja DNK i poznatih proteina in vitro. Osim toga, omogućava analizu proteinskih kompleksa koji se vežu za DNK (DPI-pojačana-ELISA). Također omogućava automatsko otkrivanje raznih nukleotidnih sondi zbog standardnog ELISA formata ploče.
• DNk-aza ili test otisaka prstiju: može se koristiti za identifikaciju određenih mjesta vezanja proteina na DNK s rezolucijom baznog para.
• Hromatinska imunoprecipitacija: koristi se za identifikaciju in vivo ciljnih regija DNK poznatog transkripcijskog faktora. Ova tehnika, kada je u kombinaciji sa visoko-ulaznim sekvencingom, poznata je kao ChIP-Seq,a kada je u kombinaciji s mikročipovima, poznata je kao ChIP-chip.
• Hvast monohibridni sistem (Y1H): Koristi se za identifikaciju koji protein se dodaje određenom DNK fragmentu. Bakterijski monohibridni (B1H) sistem koristi se za identifikaciju koji protein se dodaje određenom fragmentu DNK.
• Određivanje strukture rendgenskom kristalografijom: korištena je za osiguravanje vrlo detaljne atomske rezolucije interakcija proteina i DNK.^{[28][29][30][31]}

Pored ovih metoda, u laboratoriji se koriste i druge tehnike kao što su SELEX, PBM (mikročipovi vezanja proteina),DNK mikročipovii, DamID, FAIRE ili u novije vrijeme DAP-seq za istraživanje interakcija proteina i DNK kako in vivo tako i in vitro.

Interakcije proteina i DNK mogu se modulirati koristeći određene stimulanse, kao što su ionska jačina pufera, makromolekulksko gomilanje, temperatura, pH i električno polje. To može dovesti do reverziblnog procesa disocijacije/asocijacije proteinsko-DNK kompleksa.^[32][33][34]

• Proteinski domen
• Domen vezanja DNK
• Propeler-petlja-propeler
• Nukleoprotein
• Cinkov prst