Пташне - Переключение генов - 1988, страница 9

Эти две а-спирали мы будем называть биспиральным элементом или биспиральной структурой. Как мы увидим далее, многие регуляторные белки используют подобный элемент, состоящий из пары а-спиралей, для связываний с ДНК. Теперь мы в общих чертах понимаем, как репрессор избирательно связывается с оператором. Этот белок прочно связывается только в том случае, если имеется соответствие между боковыми цепями аминокислот в узнающей а-спирали 3 репрессора и функциональными группами ДНК, экспонированными в большой желобок.

Чтобы уяснить роль симметрии в связывании, вспомним нашего демона, который определял, симметрична ли последовательность ДНК. Если бы демону пришлось пройти вдоль спирали 3 любого из мономеров от амина-конца к карбокси-концу, т.е. по направлению к спирали 4, он обнаружил бы одну и ту же (или почти одну и ту же) последовательность ДНК-белковых взаимодействий.

(Оговорка «почти одна и та же» связана с тем, что последовательность каждого операторного участка не совсем симметрична.) Помимо того что )-репрессор встраивается в двойную спираль ДНК своими узнающими а-спиралями, он «обнимает» ее парой гибких «рук», расположенных на амино-конце мономеров.

Когда репрессор связывается с оператором, его «руки» охватывают ДНК и образуют специфические контакты в большом желобке на ее обратной стороне. Узнающие а-спирали используются многими регуляторными белками, но «руки» ).-репрессора, изображенные па рис. 2.8, -пример менее распространенного приспособления для прочитывания последовательности, Белок Сго Структура Сго изображена на рис, 2.9. Этот белок включает три а-спирали, а также три участка, образующие так называемые р-слои. (р-Слой-егце один широко распространенный в белках способ укладки.

На наших рисунках г)-слои изобра- а <з« Рис. 2тб Белок Сго. Три плоские стрелки - зто б-слои, которые вместе с тремя а-спиралями образуют белковую глобулу, Рис. 2ЛО. Сто-белок, связанный с операторным участком. Этот димер при- соединяется к ДНК примерно так ксе, как димер репрессора. жены в виде плоских стрелок, чтобы их можно было отличить от а-спиралей, представляемых в виде цилиндров.) Спираль 3 у Сго, как и у репрессора,— узнающая. Взаимное пространственное расположение спиралей 2 и 3 белка Сго почти такое же, как и соответствующей пары спиралей репрессора. Поразительно, что в различных белках обнаруживаются биспиральные элементы со столь сходным расположением двух а-спиралей.

В димере Сго симметрично расположснные узнающие спирали, по одной в каждом мономере, укладываются в два последовательных участка большого желобка, расположенных с одной стороны двойной спирали, как показано на рис. 2ДО. 50 Взаимодействия аминокислот с парами оснований Амипокислотные последовательнос.ги, образующие узнающие спирали репрессора н Сго, большей частью различны (рис 2 11) Этого и следовало ожидать В обоих случаях одна сторона спирали («внутренняя») соприкасается с основной частью белковой молекулы, а «внешняя» ложится в большой желобок ДНК и образует там специфические контакты Внутренние поверхности узнающих спиралей различаются, поскольку те основные части белковых молекул репрессора н Сго, с которыми они контактируют, различны Последовательности на внешних поверхностях узнающих спиралей сходны, но не идентичны хотя репрессор и Сго связываются с одними н теми же операторными участками, их относительное сродство к различным участкам неодинаково На рис 2 11 приведена также схема взаимодействий между аминокислотами узнающих спиралей репрессора и Сто и основаниями двух половин оператора Эта схема позволяет представить, каким образом репрессор и Сго узнают одни и те же операторные участки, но различают их репрессор предпочитает 0„1, а Сто-Ок3 его пеппе спп т а! пае й)а сч а!т !еа апп 1 т ясст!ас" с т с та Оа с а ос !е Рис 2 ! 1А Взаимодействия аминокислот с парами оснований Чтобы понять как располагаются определенные аминокислотные остатки в этих узнающих спиральных участках и как они пронумерованы, сравните приведеннуго схему с рис 2 3 и 2 11Б В обоих белках боковые остатки (группы, обозначенные К) аминокислоэ 1 2 5 и б направлены в сторону ДНК а остатки 4 и 2 в сторону белковой глобулы И в репрессоре и в Сто белке консервативные амнио кислоты в узнающих спиральных участках (Сг!и и Бег в положениях 1 и 2) контактируют с консервативными парами оснований операгора (положения 2 и 4) С основаниями в положении 3 оператора репрессор не контактирует а Сто предпочи~ае~ ТА пару паре ССг В положении 5 репрессор предпочитает ТА пару паре Сб а Сто наоборот В положении И «рука» репрессора, которая здесь не показана предпочитает ССг пару ТА-паре Эти представления не исчерпывают всех возможных ситуаций Например аминокислота лежащая за конном спирального участка 3 может контактировать с парой оснований в положении 6 оператора В обоих случаях изображена только половина опера горног о участка Вторые половины соответствуют консенсус поспелова тсльпости приведенной в табл 2 2 Реарессар фага Л Рис 2 ! ! Б Узнающие спирали вынуты из большого желобка ДНК, с которой они взаимодействуют Обратите внимание на соответствие положений выступающих боковых зрупп аминокислоз и оснований, с которыми они кон- Обе узнаюнзие спирали начинаются с дипептида глутамин — серии (тл1п-Бег), а дальше последовательности различаются.

Оба белка используют О1п в положении 1 и Бег в положении 2, чтобы образовать контакты с парами оснований 2 н 4 оператора соответственно, Это как раз те положения в 52 Белок Сго фага Л тактируют Основания оператора пронумерованы так же, как в табл 2 2, и три пары оснований, по которым различаются Оа! и Ояз, отмечены звездочками Черным ромбиком обозначен центр симметрии оперпора операторе, ко~орые, как показано в табл. 2.2, одинаковы во всех операторных половинах. Таким образом, репрессор и Сго используют одни и те же аминокислоты для контактов с идентичными основаниями во всех операторных участках. Другие аминокислоты в узнающих спиралях позволяют к днк н Н еи н нч н Глу та мин н Ъ ' " еь Болюшоп желобон г' ел сн, Н Малюй желобов Рис 2.12 Взаимолействие одной из аминокислог с парой оснований Изображено кон~актирование глутамина с основанием А со стороны бодьюого желобка.

Между боковой цепью аминокислоты и зкспонированными атомами основания образуются две водородные связи. Спп Сп Ф Спиральз р1у йЬ пн яй! Нй '„ кег ац Спираль 3 1® Фп вуа ааа ай йк !уг ч ги аег 1ув Репрессор Сто Рис. 2 13. Консервативные аминокислоты в биспиральных узнаю!них злементах репрессора и белка Сто. В спирали 2 обоих белков имеется аминокислота 14!а], которая взаимодействует с другой аминокислотой в спирали 3 В репрсссоре а1а взаимодействуе~ с валином, а в Сто с изолейцином. Эти связи обеспечивают правильное взаимное расположение спиралей.

Той же цели служи аминокислоты мостика. соединяюиье1о два спиральных участка Боковая цепь метионина сходна с боковыми лелями лейпина и валина двум белкам различать операторные участки. Так, алании 1А!а) репрессора контактирует с основанием в по.цожении 5, а аспарагин 1Авп) н лизин 1Ьун) в Сто — с основаниями 3 и 5 соответственно. !Ьун в белке Сго, кроме того, контактирует с основанием 6.) Обратите внимание, что пары оснований в этих положениях в двух операторных половинах различаются. 54 «Руки» Л-репрессора контактируют с основаниями 8 и 9 оператора и также помогают репрессору различать разные операторные участки.

На рис. 2.12 изображено более детально взаимодействие одной из аминокислот с парой оснований, отмеченное схематически на рис. 2.11. О)п образует две связи с атомами аденина (А), экспонированными в большой желобок. На рис. 2.13 показано, какие аминокислоты биспиральных элементов репрессора и белка Сго, находящиеся в одинаковом положении, совпадаю~ или химически родственны (консервативны).

(Эти консервативные аминокислоты не участвую г в узнавании специфических последовательностей.) Три из этих аминокислот расположены в изгибе, соединяющем две спирали, а две аминокислоты, соединенные на рисунке прерывистой линией, лежат по одной в каждой спирали. Эти остатки обеспечивают, по всей вероятности„ постоянство угла между двумя спиралями, Шестой консервативный остаток расположен на «вершине» спирали, которая предшествует узнающей спирали. Он взаимодействует с фосфатной группой остова одной из цепей ДНК, обеспечивая тем самым правильное положение биспирального элемента относительно ДНК.

Многие известные и предполагаемые специфические ДНК- связывающие белки из целого ряда организмов имеют такое же или очень близкое расположение консервативных остатков, как репрессор Л и Сго. В некоторых случаях такое расположение аминокислот использовалось в качестве теста на сушествование биспирального элемента, частью которого является узнающая спираль. Сходе~во не захватывает всю область биспирального элемента, а ограничивается лишь отдельными участками, которые, очевидно, фиксируют взаимное пространственное положение спиралей. Репрессор Л и Сто связываются со своими операторами очень прочно; мы еше вернемся к этому в гл.