Một oligonucleotit sợi kép có trình tự chính xác được tổng hợp bằng phương pháp hóa học và liên kết với một chất nền xốp không hòa tan như agar; chất nền với các oligonucleotide kèm theo[r]
Trang 1MÔ TÍP LIÊN KẾT ADN TRONG CÁC PROTEIN ĐIỀU HÒA GEN.
Làm thế nào để xác định một tế bào khi mà hàng nghìn gen của nó được saochép? Như đã trình bày trong chương 6, phiên mã của mỗi gen được kiểm soát bởi mộtvùng điều hòa của ADN tương đối gần vị trí nơi quá trình phiên mã bắt đầu Một sốvùng điều hòa khá đơn giản và hoạt động như các công tắc bởi một tín hiệu duy nhất.Rất nhiều vùng điều hòa khác có cấu trúc phức tạp và tương tự như các bộ vi xử lý rấtnhỏ, đáp ứng với nhiều tín hiệu rằng chúng hiểu và tích hợp để chuyển các gen lân cậnsang trạng thái hoạt động hoặc không Cho dù phức tạp hay đơn giản, những thiết bịnhư công tắc này được tìm thấy trong tất cả các tế bào và chúng được cấu tạo từ 2 loạithành phần cơ bản: (1) đoạn trình tự ngắn của ADN và (2) là các protein điều hòa hoạtđộng gen, protein này sẽ nhận biết và gắn vào đoạn ADN trên
Chúng ta bắt đầu thảo luận về protein điều hòa hoạt động gen bằng cách mô tả làm thế nào mà chúng được phát hiện ra
Các protein điều hòa gen được phát hiện bằng cách sử dụng gen của vi khuẩn
Phân tích di truyền vi khuẩn thực hiện trong những năm 1950 đã cung cấp bằng chứng
đầu tiên cho sự tồn tại của các protein điều hòa gen (thường gọi nôm na là "yếu tố
phiên mã") mà chúng sẽ chuyển các tập hợp gen cụ thể sang dạng hoạt động hoặc
không hoạt động Một trong những yếu tố điều hòa này, chất ức chế lamda, được mã hóa bởi một loại virus của vi khuẩn, thực khuẩn thể lambda Chất ức chế này sẽ ức chế
các gen của virus mà mã hóa cho các thành phần protein của hạt virus mới và do đó chophép bộ gen của virus tồn tại một cách im lặng trong nhiễm sắc thể vi khuẩn, nhân lêncùng với vi khuẩn khi gặp điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi khuẩn (quan sáthình 5-78) Chất ức chế ở virus lamda là một trong những protein điều hòa hoạt độnggen đầu tiên được mô tả, và được hiểu cặn kẽ nhất, như chúng ta sẽ thảo luận dưới đây.Các chất điều chỉnh khác ở vi khuẩn phản ứng với các yếu tố dinh dưỡng bằng cáchđóng các gen mã hóa một nhóm cụ thể các enzym chuyển hóa vật chất khi chúng không
cần thiết Chất ức chế Lac, chất đầu tiên trong những protein này ở vi khuẩn đã được
phát hiện ra, ức chế quá trình sản xuất các protein chịu trách nhiệm chuyển hóa lactozokhi loại đường này thiếu từ mức trung bình
Bước đầu tiên hướng tới sự hiểu biết về điều hòa hoạt động gen là sự phân lập của cácchủng vi khuẩn và phage lambda đột biến không thể đóng các nhóm gen cụ thể Nó đãđược đề xuất vào thời điểm đó, và sau đó được chứng minh rằng hầu hết những thể độtbiến này thiếu hụt protein hoạt động như các chất ức chế cụ thể cho các bộ gen đó Bởi
vì những protein này, giống như hầu hết các protein điều hòa hoạt động gen, tồn tại vớimột lượng nhỏ, do đó rất khó khăn và tốn thời gian nếu muốn tách chúng ra Chúngcuối cùng cũng được tinh chế bằng cách tinh chế các chiết xuất từ tế bào Khi được tách
ra, các protein này được quan sát thấy đang gắn với các trình tự ADN đặc biệt gần vớicác gen mà chúng điều hòa Các trình tự ADN chính xác mà chúng nhận ra sau đóquyết định bởi một tổ hợp các gen cổ điển và các phương pháp nghiên cứu tương tácprotein – ADN được thảo luận trong chương này
Mặt bên ngoài của xoắn ADN có thể được đọc bởi các protein
Trang 2Như đã thảo luận ở chương 4, phân tử ADN trong 1 nhiễm sắc
thể tồn tại dưới dạng một chuỗi xoắn kép rất dài (hình 7-6) Các
protein điều hòa gen phải nhận biết được trình tự nucleotit đặc
hiệu chứa bên trong cấu trúc này Ban đầu người ta nghĩ rằng
những proteins này có thể xâm nhập trực tiếp vào liên kết hidro
giữa các cặp bazơ bên trong chuỗi xoắn kép để phân biệt giữa
một trình tự ADN này với một trình tự ADN khác Điều này bây
giờ đã rõ ràng, tuy nhiên, mặt ngoài của chuỗi xoắn kép liên kết
với trình tự thông tin ADN mà protein điều hòa gen có thể nhận
ra không cần phải mở chuỗi xoắn kép
Hình 7-6 Cấu trúc xoắn kép của ADN Một mô hình lấp đầy khoảng
cách của ADN trình diễn các rãnh lớn và nhỏ ở mặt ngoài của chuỗi xoắn
kép Các nguyên tử được đánh dấu như trái bi: cacbon, màu xanh thẫm;
nitơ, xanh nhạt; hidro, trắng; oxy, màu đỏ; photpho, màu vàng.
Các cạnh của mỗi cặp base được tiếp xúc với bề mặt của chuỗi xoắn kép, làm lộ ra mộtkhuôn mẫu đặc biệt của các nhóm cho liên kết hidro, các nhóm nhận liên kết hidro, vàcác tương tác kị nước để giúp cho protein nhận biết được cả hai đường rãnh lớn và nhỏ
(hình 7-7) Nhưng chỉ trong các rãnh lớn là các mô hình khác nhau rõ rệt cho mỗi sự sắp xếp 4 cặp bazơ (hình 7-8) Vì lý do này, các protein điều hòa gen thường tạo các
liên kểt đặc biệt với các rãnh lớn như chúng ta có thể quan sát trong hình 7-8
Hình 7-7 Các cặp bazơ khác nhau thế nào trong ADN có thể nhận dạng từ cạnh sắc của chúng mà không cần mở chuỗi xoắn kép Bốn hình thái có thể xảy
ra của cặp bazơ được trình bày, với liên kết hidro cho chỉ ra màu xanh, liên kết hidro nhận màu đỏ, và các liên kết hidro của cặp bazơ tự
do như là một loạt của đường
kẻ song song màu đỏ Các tổ hợp metyl, mà hình dạng đầu
kị nước nhô lên, cho biểu thị màu vàng, và các nguyên tử hidro gắn với các nguyên tử cacbon, và chính vì thế không dùng cho liên kết hidro, màu
trắng
Trang 3Hình 7-8 Một mã nhận dạng ADN Cạnh
của mỗi cặp bazơ, nhìn đây giống như các rãnh lớn hoặc rãnh nhỏ, chứa một mẫu đặc biệt của các hidro cho, các hidro nhận, và các
tổ hợp metyl Từ rãnh lớn, hình dạng một trong 4 cặp bazơ hiển thị chỉ một mẫu của các nét đặc trưng Từ rãnh nhỏ, tuy nhiên, các mẫu tương tự của G-C và C-G giống của A-T và T-
A Mã màu sắc là như trong hình 7-7
Công tắc (Switches)
Một trình tự nucleotit đặc biệt có thể được “đọc” như là một mô hình các tính năngphân tử trên bề mặt của chuỗi xoắn kép ADN Một trình tự nucleotit đặc biệt, thường íthơn chiều dài của 20 cặp nucleotit, có chức năng như các thành phần cơ bản của côngtắc gen bằng cách đưa ra các điểm nhận biết cho sự gắn vào của các protein điều hòagen nhất định Hàng ngàn các trình tự gen như vậy đã được xác định., mỗi trình tự đượcnhận ra bởi một protein điều hòa gen khác nhau (hoặc bằng một tổ hợp các proteinsđiều hòa gen liên quan với nhau) Một số protein điều hòa hoạt động gen được thảo luận
trong bài học của chương này được liệt kê trong bảng 7-1, dọc theo trình tự ADN mà
chúng nhận ra
Bây giờ chúng ta quay lại chính các protein điều hòa hoạt động gen, thành phần
cơ bản thứ hai của công tắc gen Chúng ta bắt đầu với những tính năng cấu trúc chophép những protein này nhận ra các đoạn trình tự ADN ngắn đặc biệt, chứa trong mộtchuỗi xoắn kép dài hơn rất nhiều
Bảng 7-1: Một số protein điều hòa gen và các trình tự ADN mà chúng nhận biết được.
Trang 4Các protein điều hòa gen có chứa các mô tip cấu trúc có thể đọc trình tự ADN
Phân tử nhận biết trong sinh học thường dựa trên sự phù hợp chính xác giữa các
bề mặt của hai phân tử, và các nghiên cứu về protein điều hòa gen đã cung cấp một số
ví dụ rõ ràng về nguyên tắc này Một protein điều hòa gen sẽ nhận biết cả một trình tựADN cụ thể bởi vì bề mặt của phân tử protein bổ sung các tính năng bề mặt đặc biệt củachuỗi xoắn kép trong khu vực đó Trong hầu hết các trường hợp, protein tạo thành mộtmối liên lạc với ADN, liên quan đến các liên kết hydro, liên kết ion, và tương tác kỵnước Mặc dù mỗi liên kết đơn là yếu, 20 hay là như vậy thường được hình thành tại
bề mặt protein-ADN gắn với nhau để đảm bảo rằng sự tương tác của cả hai rất cụ thể và
rất mạnh (Hình 7 - 9) Trong thực tế, ADN-protein tương tác bao gồm một số những
phân tử tương tác chặt chẽ và cụ thể nhất được biết đến trong lĩnh vực sinh học
Hình 7-9 Liên kết của một protein điều hòa gen tới các rãnh lớn của ADN Chỉ
có một liên kết duy nhất được hiển thị Thông thường, bề mặt protein- ADN sẽ bao gồm từ 10-20 liên kết như vậy, liên quan đến axit amin khác nhau, góp phần vào lực liên kết của sự tương tác protein- ADN.
Mặc dù mỗi ví dụ về sự nhận biết protein-ADN là chi tiết duy nhất trong chi tiết, tinhthể x-ray và nghiên cứu NMR quang phổ của hàng trăm protein gen điều hành đã bộc lộ
ra rằng nhiều người trong số đó có chứa một hoặc một số khác của một tập hợp nhỏ các
mô tip cấu trúc liên kết ADN Những mô tip này thường sử dụng hoặc ở dạng xoắn αhoặc ở dạng tấm β để liên kết vào các rãnh lớn của ADN, rãnh này, như chúng ta đãthấy, có chứa đầy đủ thông tin để phân biệt một chuỗi ADN từ bất kỳ một chuối khác
Sự phù hợp này tốt đến nỗi mà nó đã được đề xuất rằng các kích thước của các đơn vịcấu trúc cơ bản của axit nucleic và protein cùng nhau tiến hóa để cho phép các phân tửcài vào nhau
Mô tip xoắn-gấp-xoắn là một trong những mô tip liên kết ADN đơn giản nhất và thường gặp nhất.
Motip liên kết protein - ADN đầu tiên được công nhận là dạng xoắn-gấp-xoắn Nó đượcxác định trong protein vi khuẩn, kể từ đó đã được tìm thấy trong hàng trăm protein liênkết ADN từ cả hai sinh vật nhân chuẩn và nhân sơ Nó được xây dựng từ hai chuỗi xoắn
α với nhau bằng một chuỗi xoắn của các axit amin, tạo nên "gấp" (Hình 7-10) Hai
chuỗi xoắn được kết hợp ở một góc cố định, chủ yếu thông qua sự tương tác giữa hai
chuỗi xoắn Xoắn C-cuối cùng được gọi là xoắn công nhận bởi vì nó phù hợp với các
Trang 5rãnh chính của ADN, chuỗi bên axit amin khác nhau từ protein tới protein, đóng mộtvai trò quan trọng trong việc nhận ra các trình tự ADN chuyên biệt mà protein liên kết.
Hình 7-10 Mô tip xoắn-gấp-xoắn liên kết ADN Xoắn-gấp-xoắn này được thể hiện trong
(A), nơi mà mỗi vòng tròn màu trắng biểu thị cacbon trung tâm của một acid amin C-thiết bị đầu cuối dạng xoắn α (màu đỏ) được gọi là xoắn công nhận bởi vì nó tham gia vào nhận dạng cụ thể trình tự ADN Như thể hiện trong (B), xoắn này phù hợp với các rãnh lớn của ADN, nơi nó tiếp xúc với các cạnh của các cặp base (xem hình 7-7) N-thiết bị đầu cuối xoắn α (màu xanh) chức năng chủ yếu như là một thành phần cấu trúc giúp xác định vị trí xoắn nhận dạng.
Bên ngoài vùng xoắn-gấp-xoắn, cấu trúc của các protein khác nhau có chứa mô tip này
có thể rất khác nhau (Hình 7-11) Vì vậy, mỗi protein "thể hiện" mô tip xoắn-gấp-xoắn
tới ADN theo một cách độc đáo, một đặc điểm cho thấy để nâng cao tính linh hoạt củacác mô tip xoắn-gấp-xoắn bằng cách tăng số lượng các mô tip trình tự ADN có thể sửdụng để nhận biết Hơn nữa, trong hầu hết các protein này, các bộ phận của chuỗipolypeptide bên ngoài miền xoắn-gấp-xoắn cũng làm cho sự tương tác quan trọng vớiADN, giúp tinh chỉnh sự tương tác
Hình 7-11 Một số protein xoắn-gấp-xoắn liên kết ADN Tất cả các protein liên kết ADN như là
những nhị trùng phân mà hai bản sao của xoắn nhận dạng (xi lanh màu đỏ) được tách ra bởi chính xác một vòng của xoắn ADN (3.4 nm) Các xoắn khác của mô tip xoắn-gấp-xoắn là màu xanh, như trong hình 7-10 Protein ức chế lamda và Cro kiểm soát biểu hiện gen của vi khuẩn lamda, và protein ức chế tryptophan và protein hoạt động catabolite (CAP) kiểm soát các biểu hiện bộ gen vi khuẩn E coli.Nhóm các protein xoắn-gấp-xoắn được chỉ ra trong hình 7-11 cho thấy đặc điểm chungcủa nhiều trình tự protein liên kết ADN đặc trưng Chúng liên kết như hai mạch đốixứng với các chuỗi ADN gồm hai nửa giống nhau liên kết với nhau, chúng cũng được
sắp xếp một cách đối xứng (hình 7-12) Sự sắp xếp này cho phép mỗi đơn phân protein
tạo thành một bộ liên kết gần như giống hệt nhau và làm tăng ái lực liên kết: là một
Trang 6phép gần đúng, tăng gấp đôi số lượng các liên kết năng lượng tự do của sự tương tác và
do đó điều chỉnh ái lực liên tục.
Hình 7-12 Một chuỗi ADN cụ thể được nhận dạng bởi các protein Cro thực khuẩn thể lambda Các nucleotide đánh dấu màu xanh lá
cây trong dãy này được sắp xếp đối xứng, cho phép mỗi nửa của chuỗi ADN được nhận dạng trong cùng một cách bởi mỗi monomer protein, cũng được hiển thị màu xanh lá cây Xem Hình 7-11 cho các cấu trúc thực tế của protein.
Protein homeodomain tạo thành một lớp đặc biệt của các protein xoắn-gấp-xoắn
Không lâu sau khi các protein điều hòa gen đầu tiên được phát hiện ở vi khuẩn, thì việcphân tích gen ở ruồi giấm dẫn đến các đặc tính của một lớp quan trọng của các gen,
các gen chọn homeotic, đóng một vai trò quan trọng trong phát triển bay Như đã thảo
luận trong Chương 22, chúng đã chứng minh là chúng có vai trò cơ bản trong sự pháttriển của các loài động vật cao hơn Đột biến trong những gen đó có thể gây ra mộtphần cơ thể bay khác, cho thấy rằng các protein mà chúng mã hóa kiểm soát nhiềuquyết định quan trọng trong sự phát triển
Khi trình tự nucleotide của một số gen homeotic chọn lọc được xác định trong đầunhững năm 1980, mỗi trình tự là để mã hóa một chuỗi gồm 60 axit amin giống hệt nhau
xác định loại protein này và được gọi là các homeodomain Khi cấu trúc ba chiều của
các homeodomain đã được xác định thì người ta chưa thấy mô tip xoắn-gấp-xoắn nóliên quan đến cấu trúc ba chiều của protein điều hòa gen ở vi khuẩn, cung cấp một trongnhững chỉ dẫn mà những nguyên tắc của gen quy định được thiết lập có liên quan đếnsinh vật bậc cao Hơn 60 protein homeodomain đã được phát hiện ở ruồi giấm, vàprotein homeodomain đã được xác định trong hầu như tất cả các sinh vật nhân chuẩnđiển hình được nghiên cứu, từ nấm men tới thực vật và tới con người
Cấu trúc của một homeodomain liên kết chuỗi ADN đặc trưng được hiển thị trong hình
7-13 Trong khi các mô típ xoắn-gấp-xoắn của các protein điều hòa gen ở vi khuẩn
thường được gắn trong các bối cảnh khác nhau về cấu trúc, mô típ xoắn-gấp-xoắn củahomeodomain luôn luôn được bao quanh bởi những cấu trúc tương tự (mà tạo ra cácphần còn lại của homeodomain), cho thấy rằng các mô típ luôn luôn đưa tới ADN trongcùng một cách Thật vậy, nghiên cứu cấu trúc đã cho thấy rằng một loại proteinhomeodomain nấm men và một loại protein của ruồi giấm có tổ chức tương tự và nhận
ra ADN chính xác gần như giống nhau, mặc dù chúng giống hệt nhau chỉ 17 trong 60axit amin (xem Hình 3-13)
Trang 7Hình 7-13 Một homeodomain liên kết với trình tự đặc trưng của ADN Hai
quan điểm khác nhau của cùng một cấu trúc được chỉ ra (A) homeodomain được xếp thành ba chuỗi xoắn α, được gắn với nhau bằng cách tương tác kỵ nước Phần
có chứa xoắn 2 và 3 tương tự như motif xoắn-gấp-xoắn (B) xoắn nhận dạng (xoắn
3, đỏ) tạo nên những liên kết quan trọng với các rãnh lớn của ADN Các (ASN) của xoắn 3, ví dụ, liên kết với một adenine, như thể hiện trong hình 7-9 Một nhánh linh hoạt gắn liền với xoắn 1 tạo nên những liên kết với các cặp nucleotide trong rãnh nhỏ Các homeodomain hiển thị ở đây là từ protein điều hòa gen ở nấm men, nhưng nó gần giống homeodomains từ nhiều sinh vật nhân chuẩn <ACGT> (Trích từ C Wolberger et al, 67:517-
528 Cell, năm 1991 Với sự cho phép của Elsevier.)
Có một số loại mô tip liên kết ADN chứa Kẽm hình ngón tay.
Mô tip xoắn-gấp-xoắn chỉ bao gồm các axit amin Một nhóm quan trọng thứ hai củanhững mô tip liên kết ADN bao gồm một hoặc nhiều nguyên tử kẽm như là thành phầncấu trúc Mặc dù tất cả những mô tip liên kết ADN phối hợp với nguyên tử kẽm như
vậy được gọi là kẽm hình ngón tay, mô tả này chỉ đề cập đến sự xuất hiện của chúng trong sơ đồ mô tả phát hiện ban đầu (Hình 7-14A) Nghiên cứu tiếp theo đã chỉ ra rằng
chúng chia thành một số nhóm khác biệt về cấu trúc, hai trong số đó, chúng ta xem xét
ở đây Loại đầu tiên được phát hiện trong các protein kích hoạt phiên mã của một gennhân chuẩn ARN ribosome Nó có cấu trúc đơn giản, trong đó kẽm giữ xoắn α và một
tấm β (hình 7-14B) Đây là loại nguyên tử kẽm thường được tìm thấy trong các cụm
song song vì thế vòng xoắn α của mỗi cụm có thể liên kết với các rãnh lớn của ADN,
tạo thành một đoạn gần như liêntục xoắn α dọc theo rãnh Bằngcách này, một số tương tác mạnh
và cụ thể của protein – ADNđược thiết lập thông qua một đơn
vị cấu trúc cơ bản lặp đi lặp lại
Trang 8Hình 7-15 Liên kết ADN được tạo nên bởi một protein kẽm hình ngón tay (A) cấu trúc của một
đoạn protein điều hòa ở chuột liên kết với ADN ở
vị trí cụ thể Protein này nhận dạng những ADN bằng cách sử dụng kẽm hình ngón tay loại Cys-Cys- His-His (xem Hình 7-1 sắp xếp như lặp đi lặp lại trực tiếp <ATCT> ( hình ngón tay có tương tự như trình tự axit amin Và liên hệ với ADN theo cách giống nhau Trong cả hai (A) và (B) nguyên tử kẽm mỗi ngón tay được đại diện bởi một hình cầu nhỏ (Trích từ N Pavletich C pabo, Khoa học 252:810-
817, 1991.V sự cho phép từ AAAS.)Một loại kẽm hình ngón tay được tìm thấy trong một tổ hợp lớn của các protein thụ thểtrong tế bào (được thảo luận chi tiết trong Chương 15) Nó tạo thành một loại khác nhaucủa cấu trúc (tương tự như trong một số khía cạnh tới các mô típ xoắn-gấp-xoắn) trong
đó hai xoắn α được đóng gói cùng với các nguyên tử kẽm (Hình 7-16) Giống như cácprotein xoắn-gấp-xoắn, các protein này thường hình thành nhị phân cho phép một tronghai xoắn α của mỗi tiểu đơn vị tương tác với các rãnh chính của ADN Mặc dù hai loạicấu trúc kẽm hình ngón tay được thảo luận trong phần này có cấu trúc riêng biệt, nhưngchúng cho thấy hai tính năng quan trọng: cả hai đặc điểm này sử dụng như một yếu tốcấu trúc, và sử dụng cả hai xoắn α để nhận ra các rãnh lớn của ADN
Hình: 7-16 Một nhị phân của miền kẽm hình ngón tay của tập hợp thụ thể trong tế bào liên kết trình tự ADN đặc trưng của nó Mỗi miền
kẽm hình ngón tay có chứa hai nguyên tử Zn (được chỉ định bởi thể cầu màu xám nhỏ), một xoắn ADN nhận dạng ổn định (một tiểu đơn vị thể hiện màu nâu và một cái khác màu đỏ), và một ổn định một vòng lặp (thể hiện trong màu tím) tham gia vào hình thành nhị phân Mỗi nguyên tử Zn được điều phối bởi bốn dư lượng Giống như cysteine khoảng cách thích hợp các protein xoắn-gấp-xoắn được hiển thị trong hình 7-11, hai xoắn nhận dạng của nhị phân giúp tách ra bằng một khoảng cách tương ứng với một vòng của chuỗi xoắn kép ADN Ví dụ cụ thể được hiển thị là một phân đoạn của các thụ thể glucocorticoid Đây là một loại protein mà qua đó các tế bào phát hiện và đáp ứng phiên mã để tạo ra hormon glucocorticoid trong tuyến thượng thận trong phản ứng với stress (Trích từ BFLuisietal, Nature 352:497-505,1991 Với sự cho phép từ nhà xuất bản Macmillan Ltd)
Tấm β có thể nhận dạng ADN
Trong các môtip liên kết ADN thảo luận cho đến nay, cơ chế xoắn α là cơ chế chủ yếuđược sử dụng để nhận ra các trình tự ADN chuyên biệt Một nhóm lớn các protein điềuhòa gen đã phát triển một chiến lược hoàn toàn khác nhau Trong trường hợp này, mộttấm β gồm hai sợi, với chuỗi bên axit amin mở rộng từ các bảng đối hướng tới ADN,
đọc các thông tin trên bề mặt của rãnh lớn (Hình 7 - 17) Như trong trường hợp của sự
nhận dạng chuỗi xoắn α, môtip tấm β có thể được sử dụng để nhận dạng rất nhiềuchuỗi ADN khác nhau, chính xác trình tự ADN được nhận dạng phụ thuộc vào trình tựcủa các axit amin tạo nên tấm β
Trang 9Hình 7-17 Các protein ức chế vi khuẩn Met.
Các protein ức chế vi khuẩn Met điều hòa các
gen mã hóa các enzym xúc tác tổng hợp
methionine Khi axit amin này có đủ, nó liên kết
với các ức chế, gây ra một sự thay đổi trong cấu
trúc của protein cho phép nó liên kết với ADN
một cách chặt chẽ, ngừng tổng hợp enzy (A) để
liên kết ADN thật chặt, ức chế Met phải được liên
kết chặt chẽ adenosyl-S methionine, được biểu
thị màu đỏ Một tiểu đơn vị của protein đối xứng
được hiển thị màu xanh lam trong khi những cái
khác được hiển thị xanh nhạt Hai tấm dây xoắn β
liên kết với ADN được hình thành bởi một sợi từ mỗi tiểu đơn vị và được thể hiện trong màu xanh đậm và tối (B) Đơn giản hóa sơ đồ ức chế Met liên kết với ADN, cho thấy hai sợi β của các ức chế liên kết với các rãnh lớn của ADN như thế nào Để rõ ràng, các khu vực khác của ức chế đã bị bỏ qua (A, chuyển thể từ S Phillips, Curr.Opin.Struct Biol 1:89-98, 1991, với sự cho phép của Elsevier, B, thích nghi từ W.Somers và S.Phillips, Nature 359:387-393,1992, với sự cho phép từ các nhà xuất bản Macmillan Ltd)
Một số protein sử dụng các móc thâm nhập vào rãnh lớn và rãnh nhỏ để nhận ra ADN
Một vài protein liên kết ADN sử dụng móc peptit nhô ra để đọc trình tự nucleotide, chứ
không phải xoắn α và tấm β Ví dụ, p53, ức chế khối u ở người, nhận ra các cặp
nucleotide từ hai rãnh lớn và nhỏ bằng cách sử dụng các móc như vậy (Hình 7-18) Vai
trò bình thường của protein p53 quy định chặt chẽ sự phát triển của tế bào và sự tăngsinh Tầm quan trọng của nó có thể được đánh giá cao bởi thực tế là gần một nửa của tất
cả các loại ung thư của người có đột biến soma trong gen p53, bước này là chìa khóacho sự tiến triển của các khối u, như chúng ta sẽ thấy trong Chương 20 Nhiều p53 độtbiến được quan sát thấy trong các tế bào ung thư phá hủy hoặc thay đổi tính chất liên
kết ADN của nó, thực sự, Arg 248, mà liên kết các rãnh nhỏ ADN (xem hình 7-18) là
các đột biến thường gặp nhất tồn tại trong ung thư ở người
Hình 7-18 ADN được nhận dạng bởi protein P53.
Tiếp điểm D rất quan trọng được thực hiện bởi arginine 248 alysine 120, mở rộng từ các móc nhô ra vào rãnh nhỏ và rãnh lớn nếp gấp của protein p53 cần một nguyên tử kẽm (hiển thị hình cầu), nhưng cách
mà kẽm kết hợp với protein là phức hoàn toàn khác nhau từ các cách mà protein chứa kẽm hình ngón tay được mô tả trước đây
Môtip dây kéo (zipper) lơsin làm trung gian liên kết ADN và protein nhị trùng hóa (Dimerization)
Trang 10Nhiều protein điều hòa gen nhận dạng ADN như các đồng nhị phân (homodimers-haiđơn phân giống nhau), có lẽ bởi vì, như chúng ta đã thấy, đây là một cách đơn giản đểđạt được sự liên kết mạnh (xem hình 7-12) Thông thường, các phần của protein chịutrách nhiệm cho sự nhị trùng hóa khác biệt với phần chịu trách nhiệm cho liên kếtADN Tuy nhiên một môtip kết hợp hai chức năng một cách nhẹ nhàng và kinh tế Nó
được gọi là môtip dây kéo leucine (lơsin), đặt tên như vậy vì cách hai xoắn α, từ mỗi
đơn phân, được nối với nhau để tạo ra một cuộn dây cuộn ngắn (xem hình 3-9) Cácxoắn được gắn kết với nhau bởi các tương tác giữa các chuỗi bên axit amin kỵ nước(thường nằm trên leucines) mở rộng từ một bên của mỗi chuỗi xoắn Chỉ cần vượt qua
bề mặt sự nhị trùng hóa hai chuỗi xoắn α tách biệt với nhau để tạo thành một cấu trúchình chữ Y, cho phép chuỗi phụ của chúng liên kết với các rãnh lớn của ADN Nhị
phân do đó kẹp chặt chuỗi xoắn kép giống như kẹp áo trên dây phơi (Hình 7-19)
Hình 7-19 Một dây kéo leucine nhị phân liên kết với ADN Hai phần dãy xoắn α liên kết ADN- (dưới) nhị
trùng hóa thông qua khu vực xoắn α dây kéo leucine (trên) để tạo thành một cấu trúc hình chữ Y ngược Mỗi cánh tay của chữ Y được hình thành bởi một chuỗi xoắn
α duy nhất, một từ đơn phân làm trung gian liên kết với một trình tự ADN đặc hiệu trong rãnh chính của ADN.
<TGTT> Mỗi xoắn α liên kết với một nửa của một cấu trúc ADN đối xứng Cấu trúc thể hiện là của protein nấm men: Gcn4, điều hòa phiên mã để đáp ứng với sự sẵn có của các axit amin trong môi trường (Trích từ TEEllenberger et al., Cell71 :1223-1237, 1992 Với sự cho phép của Elsevier
Dị nhị trùng hóa (Heterodimerization) mở rộng các kho trình tự ADN mà protein điều hòa gen có thể nhận ra
Nhiều protein điều hòa gen mà chúng tôi quan sát thấy, đến nay liên kết ngoài với ADNnhư các đồng nhị phân, đó là, các chất nhị phân tạo thành hai tiểu đơn vị giống hệtnhau Tuy nhiên, nhiều protein điều hòa gen cũng có thể kết hợp với các đối tác khônggiống nhau để hình thành các chất dị nhị phân (heterodimers) bao gồm hai tiểu đơn vịkhác nhau Bởi vì các dị nhị phân thường được hình thành từ hai loại protein có liên kếtADN riêng biệt, trộn và kết hợp các protein điều hòa gen theo cách này có thể mở rộngrất nhiều các kho liên kết ADN riêng biệt mà những protein này có thể hiển thị Như
minh họa trong hình 7-20, 3 đặc điểm riêng biệt liên kết ADN có thể, về nguyên tắc,
được tạo ra từ hai loại đơn phân dây kéo leucine, trong khi đó sáu đặc điểm khác có thểđược tạo ra từ ba loại đơn phân và tiếp tục như vậy