Белки скользящего зажима

Белки́ скользя́щего зажима, или скользя́щий зажи́м (англ. DNA clamp) — белки, которые выполняют функцию усилителя процессивности при репликации ДНК.

Человеческие белки скользящего зажима(PCNA). Вид сверху и сбоку. N-конец окрашен синим, С-конец — красным. Через центральную пору проходит двойная спираль ДНК[1].

Белки скользящего зажима являются важным компонентом холофермента ДНК-полимеразы III и предотвращают диссоциацию фермента от матрицы ДНК. Так как лимитирующей стадией в реакции синтеза ДНК является связывание ДНК-полимеразы с матрицей, присутствие белка скользящего зажима значительно увеличивает количество присоединяемых к растущей цепи нуклеотидов за один акт присоединения фермента к матрице. Это объясняется тем, что белок-белковое взаимодействие сильнее и является более специфическим, чем взаимодействие полимеразы и матрицы ДНК. Белки скользящего зажима увеличивают скорость синтеза ДНК до тысячи раз в сравнении с непроцессивной полимеразой[2].

Структура

Белки скользящего зажима (застёжки) представляют собой α+β-белки, которые собираются в мультимерные структуры, полностью окружающие кольцом двойную спираль ДНК, когда ДНК-полимераза добавляет нуклеотиды на растущую цепь[3]. Они окружают ДНК в области репликационной вилки и «скользят» по ДНК вместе с продвигающейся вперёд полимеразой. Скольжение облегчается наличием слоя молекул воды в центральной поре зажима; этот слой разделяет поверхность белка и ДНК, играя роль смазки. Из-за тороидальной формы мультимера зажим не может диссоциировать от ДНК без распада на мономеры.

Белки скользящего зажима выявлены у бактерий, архей, эукариот и некоторых вирусов. У бактерий застёжка представляет собой гомодимер, состоящий из двух идентичных β-субъединиц ДНК-полимеразы III, и поэтому называется β-зажим. У архей[4] и эукариот застёжка является тримером из трёх молекул PCNA. Фаг Т4 также имеет скользящую застёжку. Она называется gp45 и представляет собой тример, по структуре схожий с тримером архей и эукариот, однако входящие в его состав мономеры не обнаруживают гомологии последовательности аминокислот как с PCNA, так и с β-субъединицами[3].

ЦарствоБелки скользящего зажимаАгрегационное состояниеСвязанная ДНК-полимераза
Бактерииβ-субъединицы ДНК-полимеразы IIIдимерДНК-полимераза III
АрхеиPCNA архейтримерДНК-полимераза ε
ЭукариотыPCNAтримерДНК-полимераза δ
Вирусыgp43 / gp45тримерRB69 ДНК-полимераза / T4 ДНК-полимераза

Бактерии
Структура димера β-субъединиц ДНК-полимеразы III E. coli[5]

Как уже говорилось, у бактерий скользящая застёжка представляет собой димер из двух β-субъединиц холофермента ДНК-полимеразы III (β-зажим). Две β-субъединицы собираются около ДНК при помощи γ-субъединицы и за счёт энергии гидролиза АТФ. После сборки димера вокруг ДНК сродство β-субъединиц к γ-субъединице сменяется сродством к α- и ε-субъединицам; таким образом формируется полный холофермент[6][7][8]. ДНК-полимераза III является важнейшим ферментативным комплексом, задействованным в репликации ДНК у бактерий.

γ-комплекс ДНК-полимеразы III, образованный субъединицами γδδ'χψ, катализирует гидролиз АТФ и направляет полученную энергию на сборку β-димера вокруг ДНК, выступая, таким образом, в роли шаперона. Связавшись с ДНК, β-димер может свободно скользить по двойной спирали ДНК. α-субъединица обеспечивает полимеразную активность ДНК-полимеразы, а ε-субъединица играет роль 3'—5'-экзонуклеазы[8].

β-субъединица бактериальной ДНК-полимеразы III состоит из трёх топологически неэквивалентных доменов (С-концевого, центрального и N-концевого). Две β-субъединицы плотно взаимодействуют друг с другом, формируя замкнутое кольцо вокруг двойной спирали ДНК.

Эукариоты и археи
Скользящая застёжка человека — тример PCNA[9]

У эукариот скользящая застёжка состоит из специфических субъединиц ДНК-полимеразы δ, называемых ядерным антигеном пролиферирующих клеток (англ. Proliferating cell nuclear antigen, PCNA). С-концевые и N-концевые домены PCNA топологически идентичны. Три молекулы PCNA плотно взаимодействуют друг с другом, формируя замкнутое кольцо вокруг двойной спирали ДНК.

Аминокислотная последовательность PCNA достаточно консервативна среди животных и растений. Это иллюстрирует давление естественного отбора, способствующее консервативности структуры, а также подтверждает, что такой тип репликации ДНК является общим для всех эукариот[10].

Белки, гомологичные PCNA, были также выявлены у архей (Euryarchaeota и Crenarchaeota), у вируса Paramecium bursaria Chlorella virus 1 (PBCV-1), а также у ядерных полиэдрозных вирусов.

Вирусы
Структура белка скользящего зажима (gp45) фага Т4[11]

Субъединица вирусного белка скользящего зажима — gp45 — включает 2 домена. Каждый домен состоит из двух α-спиралей и двух β-слоёв. Таким образом, эта субъединица содержит 2 топологически идентичных фолда и имеет внутреннюю псевдосимметрию относительно них. 3 молекулы gp45 плотно взаимодействуют друг с другом, формируя замкнутое кольцо вокруг двойной спирали ДНК[12].

Сборка

Белки скользящего зажима доставляются на соответствующую двойную спираль ДНК особым белком, известным как репликационный фактор С (белки-погрузчики белков скользящего зажима[13]), которые также разбирают комплекс застёжки после того, как репликация завершится. Сайты связывания этих инициаторных белков (погрузчиков) перекрываются с сайтами связывания ДНК-полимеразы, поэтому белки застёжки не могут одновременно быть связанными с погрузчиками и ДНК-полимеразой. Поэтому комплекс застёжки не будет разбираться, пока они остаются связанными с ДНК-полимеразой. Белки скользящего зажима также связываются с другими факторами, участвующими в поддержании гомеостаза ДНК и генома, например, факторами сборки нуклеосом, лигазами, сшивающими фрагменты Оказаки, а также белками репарации ДНК. У всех этих белков сайты связывания на белках зажима также перекрываются с сайтами связывания погрузчиков. Это тоже гарантирует то, что застёжка не будет разобрана, пока любой из этих ферментов продолжает работать. Для работы белков-погрузчиков необходима энергия гидролиза АТФ, чтобы замкнуть белки застёжки вокруг ДНК.

Примечания
  1. PDB 1W60; Kontopidis G., Wu S. Y., Zheleva D. I., Taylor P., McInnes C., Lane D. P., Fischer P. M., Walkinshaw M. D. Structural and biochemical studies of human proliferating cell nuclear antigen complexes provide a rationale for cyclin association and inhibitor design (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 2005. — February (vol. 102, no. 6). — P. 1871—1876. — doi:10.1073/pnas.0406540102. — PMID 15681588.
  2. V. Mizrahi, R. N. Henrie, J. F. Marlier, K. A. Johnson, S. J. Benkovic. Rate-limiting steps in the DNA polymerase I reaction pathway (англ.) // Biochemistry : journal. — 1985. — Vol. 24, no. 15. — P. 4010—4018. — doi:10.1021/bi00336a031.
  3. Bruck I., O'Donnell M. The ring-type polymerase sliding clamp family (англ.) // Genome Biol. : journal. — 2001. — Vol. 2, no. 1. — P. REVIEWS3001. — doi:10.1186/gb-2001-2-1-reviews3001. — PMID 11178284.
  4. Matsumiya S., Ishino Y., Morikawa K. Crystal structure of an archaeal DNA sliding clamp: Proliferating cell nuclear antigen from Pyrococcus furiosus (англ.) // Protein Sci. : journal. — 2001. — January (vol. 10, no. 1). — P. 17—23. — doi:10.1110/ps.36401. — PMID 11266590.
  5. PDB 1MMI; Oakley A. J., Prosselkov P., Wijffels G., Beck J. L., Wilce M. C., Dixon N. E. Flexibility revealed by the 1.85 Å crystal structure of the beta sliding-clamp subunit of Escherichia coli DNA polymerase III (англ.) // Acta Crystallogr. D Biol. Crystallogr. : journal. — International Union of Crystallography, 2003. — July (vol. 59, no. Pt 7). — P. 1192—1199. — doi:10.1107/S0907444903009958. — PMID 12832762.
  6. Lewin, Benjamin. Genes VI (англ.). — Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press, 1997. — P. 484—487. — ISBN 0-19-857779-6.
  7. Lehninger, Albert L. Biochemistry: The Molecular Basis of Cell Structure and Function (англ.). — New York: Worth Publishers, 1975. — P. 894. — ISBN 0-87901-047-9.
  8. Stukenberg P. T., Studwell-Vaughan P. S., O'Donnell M. Mechanism of the sliding beta-clamp of DNA polymerase III holoenzyme (англ.) // J. Biol. Chem. : journal. — 1991. — June (vol. 266, no. 17). — P. 11328—11334. — PMID 2040637.
  9. PDB 1AXC; Gulbis J. M., Kelman Z., Hurwitz J., O'Donnell M., Kuriyan J. Structure of the C-terminal region of p21(WAF1/CIP1) complexed with human PCNA (англ.) // Cell : journal. — Cell Press, 1996. — October (vol. 87, no. 2). — P. 297—306. — doi:10.1016/S0092-8674(00)81347-1. — PMID 8861913.
  10. Suzuka I., Hata S., Matsuoka M., Kosugi S., Hashimoto J. Highly conserved structure of proliferating cell nuclear antigen (DNA polymerase delta auxiliary protein) gene in plants (англ.) // Eur. J. Biochem. : journal. — 1991. — January (vol. 195, no. 2). — P. 571—575. — doi:10.1111/j.1432-1033.1991.tb15739.x. — PMID 1671766.
  11. PDB 1CZD; Moarefi I., Jeruzalmi D., Turner J., O'Donnell M., Kuriyan J. Crystal structure of the DNA polymerase processivity factor of T4 bacteriophage (англ.) // J. Mol. Biol. : journal. — 2000. — March (vol. 296, no. 5). — P. 1215—1223. — doi:10.1006/jmbi.1999.3511. — PMID 10698628.
  12. Steitz T. A., Shamoo Y. Building a replisome from interacting pieces: sliding clamp complexed to a peptide from DNA polymerase and a polymerase editing complex (англ.) // Cell : journal. — Cell Press, 1999. — Vol. 99, no. 2. — P. 155—166. — doi:10.1016/S0092-8674(00)81647-5. — PMID 10535734.
  13. Калинин, с. 35.

Литература

См. также

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.