라크프레셔

Lac repressor
주석이 달린 이량체 LacI의 결정 구조.2개의 단량체(총 4개)가 협력하여 각 DNA 연산자 서열을 결합합니다.단량체(적색 및 청색)는 연결기(라벨)에 의해 연결된 DNA 결합 및 핵심 도메인(라벨)을 포함합니다.C 말단 사중합체화 나선은 표시되어 있지 않습니다.억제제는 조작자 DNA(금) 및 항-유도제 리간드(즉, DNA 결합의 안정제)인 ONPF(녹색)와 복합체로 표시됩니다.

락프레셔(LacI)는 박테리아에서 락토오스의 대사에 관여하는 단백질을 코딩하는 유전자의 발현을 억제하는 DNA 결합 단백질입니다.이러한 유전자들은 락토오스가 세포에 이용될 수 없을 때 억제되어, 박테리아가 락토오스가 존재할 때 락토오스의 흡수와 이용에 필요한 기계의 생산에만 에너지를 투자하도록 보장합니다.락토오스가 이용 가능해지면, 락토오스는 박테리아에서 β-Galactosidase (lacZ)에 의해 처음으로 알롤락토스로 전환됩니다.알롤락토스와 결합된 락프레셔의 DNA 결합능은 알로스테릭 조절로 인해 억제되고, 이에 따라 락토오스 흡수 및 활용에 관여하는 단백질을 코딩하는 유전자가 발현될 수 있습니다.

기능.

lacpressor(LacI)는 DNA 결합 영역에서 나선-회전-헬릭스 모티프에 의해 작동하며, 특히 lacoperon의 조작자 영역의 주요 홈에 염기가 결합하고, 작은 홈에서 깊게 결합하는 대칭 관련 알파 나선, "힌지" 나선의 잔여물에 의해 만들어진 염기 접촉과 함께 작동합니다.[1]이 결합된 억제기는 RNA 중합효소 결합 부위를 막거나 DNA 루프를 유도함으로써 Lac 단백질의 전사를 줄일 수 있습니다.[2]락토오스가 존재하면 알롤락토스는 락토오스 억제제에 결합하여 알롤락토스의 형태에 알롤락토스의 변화를 일으킵니다.변경된 상태에서 lacpressor는 cognate 연산자에 단단히 결합할 수 없습니다.따라서, 유전자 발현 정도는 세포 내 억제제의 수와 억제제의 DNA 결합 친화도에 따라 다르지만, 유전자는 유도제가 없을 때 대부분 떨어져 있고 유도제가 있을 때 대부분 켜져 있습니다.[3]이소프로필 β-D-1-티오갈락토피라노사이드(IPTG)는 일반적으로 사용되는 알롤락토스 모방체로, lacpressor에 의해 조절되는 유전자의 전사를 유도하는데 사용될 수 있습니다.

구조.

테트라메릭 LacI는 두 개의 연산자 서열을 결합시키고 DNA 고리화를 유도합니다.두 개의 이량체 LacI 기능 하위 단위(적색+청색 및 녹색+주황색)는 각각 DNA 연산자 서열(라벨)을 결합합니다.이 두 기능적 서브유닛은 사중합체화 영역(라벨)에서 결합됩니다. 따라서 사중합체 LacI는 두 개의 연산자 시퀀스를 결합합니다.이것은 4중합체 LacI가 DNA 고리화를 유도할 수 있게 해줍니다.

구조적으로, lac repressor 단백질은 호모테트라머입니다.더 정확하게 말하면, 테트라머는 각각 2개의 단량체(이량체의 이량체)로 구성된 2개의 DNA 결합 서브유닛을 포함합니다.각 모노머는 4개의 다른 영역으로 구성됩니다.[4][5][6]

  • N-말단 DNA 결합 도메인(2개의 LacI 단백질이 단일 조작 부위에 결합함)
  • 조절 도메인(때로는 알로스테릭 이펙터 분자인 알롤락토스를 결합하는 코어 도메인이라고도 함)
  • DNA 결합 도메인과 코어 도메인을 연결하는 링커(때로는 알로스테릭 커뮤니케이션에[6] 중요한 힌지나선이라고도 함)
  • 4개의 단량체를 알파 나선 다발로 결합하는 C 말단 4중합체화 영역

DNA 결합은 N 말단 나선-회전-나선 구조 모티프를 통해 발생하며, 여러 연산자1 DNA 서열(O, O2 및 O로 알려져3 있음) 중 하나를 대상으로 합니다.O1 연산자 서열은 프로모터와 약간 겹치는데, 이는 프로모터 서열에 대한 RNA 중합효소의 친화도를 증가시켜 신장에 진입할 수 없고 중단 개시 상태에 머무릅니다.또한, 각각의 테트라머가 2개의 DNA 결합 서브유닛을 포함하기 때문에, 단일 테트라머에 의한 다수의 연산자 서열의 결합은 DNA 루프를 유도합니다.[7]

DNA 결합과 결합 해제의 운동학

LacI 이량체의 결합 및 결합 해제 메커니즘 및 이의 표적 DNA 부위의 애니메이션

LacI는 목표 연산자 DNA를 놀랍게도 빠르게 발견합니다.체외 탐색은 3차원(3D) 확산을 통해 서로를 탐색하는 두 입자의 이론적 상한보다 10-100배 빠릅니다.[8]빠른 탐색을 설명하기 위해, LacI와 다른 전사 인자(TF)들은 DNA에 3D와 1D-슬라이딩의 자유 확산의 조합인 촉진된 확산에 의해 결합 부위를 찾는다는 가설이 세워졌습니다.[9]슬라이딩 중에 리프레셔는 DNA나선과 접촉하여 주변을 미끄러지며 주요 홈을 추적하는데, TF가 측면에서 작업자에게 미끄러져 들어올 때 목표 길이를 늘려 탐색 과정의 속도를 높입니다.대장균 세포를 이용한 생체 내 단일 분자 실험은 이제 촉진된 확산 모델을 시험하고 검증했으며 TF가 자발적으로 분리되어 3D로 게놈 탐색을 재개하기 전에 각 슬라이딩 이벤트 동안 TF가 평균 45bp를 스캔한다는 것을 보여주었습니다.[10]이 실험들은 또한 LacI가 결합하기 전에1 O 연산자 위를 여러 번 미끄러진다는 것을 암시하는데, 이것은 서로 다른 DNA 서열이 TF와 만날 때마다 인식될 수 있는 다른 확률을 가질 수 있다는 것을 의미합니다.이는 비특이적인 시퀀스에 대한 빠른 검색과 특정 시퀀스에 대한 바인딩 간의 균형을 의미합니다.[10]in vivo 및 in vitro 실험에서 DNA 염기서열에 따라 변화하는 연산자를 인식하는 것이 이 확률인 반면 TF가 염기서열에 따라 결합된 형태로 남아있는 시간은 염기서열에 따라 덜 변화하는 것으로 나타났습니다.[11]TF는 종종 규제하고자 하는 순서를 떠나지만, 강력한 목표 현장에서는 거의 항상 다시 돌아가는 길을 찾기 전에 매우 짧은 여정을 거칩니다.거시적인 규모로 봤을 때, 이것은 안정적인 상호작용처럼 보입니다.이 결합 메커니즘은 DNA 결합 단백질이 어떻게 진짜 표적을 닮은 배열에 너무 오래 갇히지 않고 세포의 게놈을 빠르게 탐색할 수 있는지를 설명합니다.

모든 원자 분자 역학 시뮬레이션은 전사 인자가 슬라이딩 중에 1kTB, 해리 시에는B 12kT의 장벽에 부딪힌다는 것을 암시하며, 이는 억제제가 해리 전에 평균 8bp 이상 미끄러진다는 것을 의미합니다.[12]lacpressor에 대한 in vivo 검색 모델은 E.coli 세포의 게놈을 억제기에 덜 접근할 수 있게 만드는 다른 단백질에 의한 군집뿐만 아니라 세그먼트 간 이동 및 호핑을 포함합니다.[13]단백질이 DNA의 주요 홈에서 빠져나와 DNA 사슬을 따라 근처의 또 다른 홈에 착지하는 호핑의 존재는 더 직접적으로 시험관 내에서 증명되었는데, 여기서 lac repressor는 조작자를 우회하고 방향을 전환하며 DNA를 따라 이동하는 동안 10.5bp 주기보다 더 긴 피치로 회전하는 것이 관찰되었습니다.[14]

디스커버리

1966년 월터 길버트와 벤노 뮐러-힐에 의해 처음으로 분리되었습니다.[15]그들은 시험관 내에서 라코페론을 포함하는 DNA에 결합된 단백질을 보여주었고, 그것은 IPTG (allolactose의 유사체)가 첨가되었을 때 DNA를 방출했습니다.

참고 항목

참고문헌

  1. ^ Schumacher MA, Choi KY, Zalkin H, Brennan RG (November 1994). "Crystal structure of LacI member, PurR, bound to DNA: minor groove binding by alpha helices". Science. 266 (5186): 763–70. Bibcode:1994Sci...266..763S. doi:10.1126/science.7973627. PMID 7973627.
  2. ^ Razo-Mejia M, Boedicker J, Jones D, DeLuna A, Kinney J, Phillips R (2014). "Comparison of the theoretical and real-world evolutionary potential of a genetic circuit". Physical Biology. 1 (2): 026005. Bibcode:2014PhBio..11b6005R. doi:10.1088/1478-3975/11/2/026005. PMC 4051709. PMID 24685590.
  3. ^ Razo-Mejia M, Barnes S, Belliveau N, Chure G, Einav T, Lewis M, Phillips R (2018). "Tuning Transcriptional Regulation through Signaling: A Predictive Theory of Allosteric Induction". Cell Systems. 6 (4): 456–469. doi:10.1016/j.cels.2018.02.004. PMC 5991102. PMID 29574055.
  4. ^ Goodsell DS (2003). "Lac Repressor". RCSB Protein Data Bank. doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2003_3.
  5. ^ Lewis M (June 2005). "The lac repressor". Comptes Rendus Biologies. 328 (6): 521–48. doi:10.1016/j.crvi.2005.04.004. PMID 15950160.
  6. ^ a b Swint-Kruse L, Matthews KS (April 2009). "Allostery in the LacI/GalR family: variations on a theme". Current Opinion in Microbiology. 12 (2): 129–37. doi:10.1016/j.mib.2009.01.009. PMC 2688824. PMID 19269243.
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  8. ^ Riggs, Arthur D.; Bourgeois, Suzanne; Cohn, Melvin (1970). "The lac represser-operator interaction". Journal of Molecular Biology. Elsevier BV. 53 (3): 401–417. doi:10.1016/0022-2836(70)90074-4. ISSN 0022-2836. PMID 4924006.
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  11. ^ Marklund, Emil; Mao, Guanzhong; Yuan, Jinwen; Zikrin, Spartak; Abdurakhmanov, Eldar; Deindl, Sebastian; Elf, Johan (2022-01-28). "Sequence specificity in DNA binding is mainly governed by association". Science. American Association for the Advancement of Science (AAAS). 375 (6579): 442–445. doi:10.1126/science.abg7427. ISSN 0036-8075. PMID 35084952. S2CID 246360459.
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  14. ^ Marklund, Emil; van Oosten, Brad; Mao, Guanzhong; Amselem, Elias; Kipper, Kalle; Sabantsev, Anton; Emmerich, Andrew; Globisch, Daniel; Zheng, Xuan; Lehmann, Laura C.; Berg, Otto G.; Johansson, Magnus; Elf, Johan; Deindl, Sebastian (2020). "DNA surface exploration and operator bypassing during target search". Nature. 583 (7818): 858–861. Bibcode:2020Natur.583..858M. doi:10.1038/s41586-020-2413-7. ISSN 0028-0836. PMID 32581356. S2CID 220049852.
  15. ^ Gilbert W, Müller-Hill B (December 1966). "Isolation of the lac repressor". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 56 (6): 1891–8. Bibcode:1966PNAS...56.1891G. doi:10.1073/pnas.56.6.1891. PMC 220206. PMID 16591435.

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