Реферат последовательности белка: ДНК метилтрансферазы Мигур Анжелы

Реферат
на тему: Циклические внутридоменные перестройки (рекомбинации)
последовательности белка: ДНК метилтрансферазы
студентки
4 курса ФББ
МГУ
Мигур Анжелы
Москва, 2012
1
Циклические внутридоменные перестройки (рекомбинации) последовательности
белка: ДНК метилтрансферазы
Введение
Амино- и карбоксильная группы на концах полипептидной цепи структур белковых
доменов часто располагаются близко друг к другу. Такое их размещение способствует
возникновению циклических внутридоменных перестроек, когда терминальные концы
лигируются, и разрыв происходит в другом месте цепи (рис. 1) (Grishin, 2001).
Рис. 1 Первый белок (внешний цикл) имеет последовательно элементы a-b-c. После циклической
внутридоменной перестройки образуется второй белок (внутренний цикл) с последовательностью c-a-b.
Буквами N и C обозначены амино- и карбокильная группы белков (Bliven, Prlić, 2012).
Впервые этот процесс описан после обнаружения сходства в аминокислотных
последовательностях белков: конкавалин А и фавин (lectin protein favin) (Cunningham et
al., 1979). В конканавалине A в результате посттрансляционных модификаций происходит
разрыв и сшивка двух фрагментов (Bowles et al., 1986; Carrington et al., 1985).
Рис. 2 Конкавалин A (слева), PDB 3cna, и лектин арахиса (справа), PDB 2pel. N и C-концы отмечены синими
и зелеными сферами, соответственно. Трехмерные структуры белков схожи, но разное положение имеют их
N и C-концы (Bliven, Prlić, 2012).
2
Однако большинство циклических внутридоменных перестроек происходит на
генетическом уровне. Они могут быть обнаружены при сравнении двух гомологов, у
которых соединены одни и тех же участки последовательности в разном порядке. Хотя
циклические внутридоменные перестройки не изменяют пространственное расположение
элементов вторичной структуры и остатков боковой цепи, они меняют соединение между
этими элементами, и поэтому изменяется укладка домена (Grishin, 2001).
Циклическая перестройка в генах
Первая пара генов с циклической перестройкой была обнаружена в 1995. Сапозины –
класс белков, вовлеченных в катаболизм сфинголипидов человека. Была найдена у
растений версия гена сапозина с циклической перестройкой, встроенная в аспартатную
протеазу, которую назвали свапозин (Pontig and Russel, 1995).
Самый
ранний
из
предложенных
механизмов
возникновения
циклических
внутридоменных перестроек – дипликация гена (Cunningham et al., 1979). При дупликации
гена и последующем слиянии рамок считывания образуется тандемный повтор. Далее,
стартовый и стоп-кодоны встраиваются в соответствующие места в дублированном гене,
удаляются избыточные участки белка (рис. 3).
Рис. 3 Механизм образования циклической перестройки путем дупликации гена. Ген 1-2-3
дуплицируется. Далее, происходит встраивание стартового и стоп-кодонов, в результате экспрессируется
ген 2-3-1 (Bliven, Prlić, 2012).
По этому механизму происходят циклические внутридоменные перестройки во
многих семействах белков: сапозины, TIM-баррель белки (например, альдолаза), FMNсвязывающие
белки,
аденин-N6-ДНК-метилтрансферазы,
метилтрансферазы (Jeltsch, 1999).
3
цитозин-C5-ДНК-
ДНК-метилтрансферазы
ДНК-метилтрансферазы могут быть подразделены на три различные группы по типу
осуществляемой ими каталитической реакции: образование N6-метиладенина (m6A), N4метилцитозина (m4C), C5-метилцитозина (m5C). m4C
и
m6A метилтрансферазы
объединяют в группу N-метилтрансфераз (Bujnicki, 2002).
N-метилтрансферазы метилируют ДНК по адениновому или цитозиновому остатку в
коротком сайте узнавания. Они состоят из большого каталитического домена,
содержащего два высоко консервативных и семь слабо консервативных мотивов, и
меньшего узнающего домена (TRD). Однако, ферменты различаются расположением,
порядком следования мотивов и размещением узнающего домена относительно
каталитического. Наличие разной архитектуры большого домена связано с циклическими
перестройками.
Аргументами
этого
утверждения
стали:
(а)
присутствие
двух
высококонсервативных мотива в аминокислотной последовательности, (б) структурное
сходство среди всех ДНК-метилтрансфераз (Jeltsch, 1999).
Ферменты β-типа и γ-типа этого семейства – пример белков с внутридоменной
циклической
перестройкой,
которая
начинается
с
дупликацией
гена
белка-
предшественника (например, ДНК-метилтрансферазы γ-типа) со слиянием рамок
считывания и формирования γγ-тандемного белка (рис. 4). Этот тандемный белок является
димером, его субъединицы соединены. Такая мутация происходит случайно в природе.
Мутация в 5’-части тандемного гена может создать новый стартовый кодон, что приведет
к образованию усеченного белка (без N-концевой части, но неизмененной C-концевой
части). Далее, если мутация в 3’-области такого гена приведет к образованию стоп-кодона
в позиции, эквивалентной старт-кодону, то новый ген будет экспрессировать белок с
циклической перестановкой. В случае метилтрансфераз встраивание старт- и стопкодонов происходит между консервативными участками II и IV γγ-тандемного белка, и
образуется белок, относящийся к метилтрансферазам β-типа (рис.4) (Jeltsch, 1999).
4
Рис. 4 A Архитектуры трех групп аденин-N6-ДНК-метилтрансфераз: α-типа (M.EcoRV), β-типа (M.PvuII), γтипа (M.TaqI). Дополнительно, тандемный белок M.FokI αα-типа. B Циклическая внутридоменная
перестройка ДНК-метилтрансфераз (Jeltsch, 1999).
Таким образом, условием появления циклической перестановки при таком
механизме является наличие тандемного фермента. В большинстве случаев они сохраняют
свою функциональную активность. Однако тандемные гены имеют большую вероятность
быть
потерянными
при
рекомбинации,
эволюционно-промежуточными.
поэтому
их
часто
Эволюционно-стабильными
они
рассматривают
как
становятся,
если
экспрессируемые ими белки могут быть в дальнейшем полезны (Jeltsch, 1999). Как
например, большой домен ДНК-метилтрансфераз, предполагается, сформировался при
дупликации малого домена, взаимодействующего с ДНК, и дальнейшем слиянии (Malone
et al., 1995). ДНК-метилтрансферазы, принадлежащие к системе рестрикции/модификации
типа IIS, являются примером тандемных ферментов, промежуточных в механизме
возникновения циклических перестроек. Они узнают асимметричный сайт и метилируют
обе цепи ДНК, т.е. они узнают два различных одноцепочечных участка, для этого
требуется
две
различные
ДНК-метилтрансферазы.
Поэтому
система
рестрикции/модификации типа IIS содержит два гена для метилтрансфераз. В некоторых
случаях эти гены – в одной рамке считывания, экспрессируют тандемный фермент
(например, FokI) (Jeltsch, 1999). В системе рестрикции/модификации типа IIS тандемные
5
белки эволюционно-стабильны. Однако не известно, ген одного белка-предшественника
дуплицировался, соединился, а потом произошла дивергенция в двух частях; либо два
разных гена объединились в тандем. Все тандемные ДНК-метилтрансферазы IIS типа
построены, как αα-метилтрансферазы (M.FokI, рис. 4), но не как β- или γ-типа, этот
пример показывает, что тандемные белки могут существовать и имеет место механизм
образования циклических перестановок, предложенный выше (Jeltsch, 1999).
Аденин-N6-ДНК-метилтрансфераза Taqi и ДНК-метилтрансфераза PvuII как пример
ферментов с циклической внутридоменной перестройкой, 3D-анализ сервисом
PDBeFold
Для большого суперсемейства S-аденозилметионин-зависимых метилтрансфераз
характерны два высоко консервативных мотива, идущих от С-концов β-тяжей a и d (abcc’
и defgg’) (рис. 5) (Grishin, 2001). Было замечено, что подсемейства метилтрансфераз
различаются в порядке последовательности этих мотивов (Malone et al., 1995; Wilson,
1992), что предполагало наличие циклических внутридоменных перестроек. В эти
перестройки
вовлечена
значительная
часть
молекулы.
Укладка
αβαβα
(EaAbB)
соответствует N-концу аденин-специфичной ДНК метилтрансферазы и C-концу PvuII
ДНК метилтрансферазы (Grishin, 2001). Эволюционная модель появления такой
перестройки заключается в существовании тандемных белков, образовавшихся при
дупликации гена и слиянии рамок считывания, после чего произошло внедрение нового
стартового кодона в N-концевой части первой копии гена и стоп-кодона в аналогичную
позицию во второй копии гена (Jeltsch, 1999).
6
Рис. 5 Циклические внутридоменные перестройки. a Аденин-N6-ДНК-метилтрансфераза Taqi. b ДНКметилтрансфераза PvuII.
Буквами N и C обозначены амино- и карбокильная группы белков. Строчными буквами и желтым цветом обозначены βтяжи, прописными буквами и голубым цветом – α-спирали. Красным обозначено структурное различие, фиолетовым
или зеленым – вставка или делеция. (Grishin, 2001)
Выравнивание в PDBeFold без сохранения топологии
Выравнивание, построенное с использованием сервиса PDBeFold, (рис. 6, 7) во многом
сходно с выравниванием на рис. 5 (Grishin, 2001).
Рис. 6 Выравнивание аминокислотных последовательностей Taqi (PDB 1aqi ), PvuII (PDB 1boo). Цветовая схема и
подписи элементов вторичной структуры использованы, исходя из рис. 5.
7
N
N
C
C
Рис. 7 Слева – Taqi (PDB 1aqi ), справа – PvuII (PDB 1boo), в центре – 3D-выравнивание, с использованием сервиса
PDBeFold. Цветовая схема аналогична рис. 5. Цветом выделены аминокислотные остатки как на рис. 6.
Заключение
Циклические внутридоменные перестройки – частые события в эволюции белков. Их
широкому распространению способствует высокая частота дупликации генов, в
результате которой образуются тандемные повторы, и близость N- и C-концов в
пространственной структуре белков. Какая могла бы быть причина закрепления такой
перестройки белков в ходе эволюции? У пары белков с циклической внутридоменной
перестройкой могут оказаться разными участки контакта с растворителем, что может быть
причиной проявления разных активностей (Pontig and Russel, 1995).
8
Список литературы
Bliven, S., Prlić, A. (2012) Circular permitataions in proteins, PLoS Comput Biol 8(3):
e1002445. doi:10.1371/journal.pcbi.1002445.
Bowles, D. J., Marcus, S. E., Pappin, D. J., Findlay, J. B., Eliopoulos, E., Maycox, P. R., and
Burgess, J. (1986) Posttranslational processing of concanavalin A precursors in jackbean
cotyledons, J. Cell Biol. 102, 1284–1297.
Bujnicki, J. M. (2002) Sequence permutations in the molecular evolution of DNA
methyltransferases, BMC Evolutionary Biology, 2:3.
Carrington, D. M., Auffret, A., and Hanke, D. E. (1985) Polypeptide ligation occurs during posttranslational modification of concanavalin A, Nature 313, 64–67.
Cunningham, B. A., Hemperley, J. J., Hopp, T. P., and Edelman, G. M. (1979) Favin versus
concanavalin A: Circularly-permuted amino acid sequences, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 76,
3218–3222.
Grishin, N. V. (2001) Fold change evolution of protein structures, J. Structural Biol. 134, 167185.
Jeltsch, A. (1999) Circular permutations in the molecular evolution of DNA methyltransferases,
J. Mol. Evol. 49, 161–164.
Malone, T., Blumenthal, R. M., and Cheng, X. (1995) Structureguided analysis reveals nine
sequence motifs conserved among DNA amino-methyltransferases, and suggests a catalytic
mechanism for these enzymes, J. Mol. Biol. 253, 618–632.
Ponting, C. P., and Russell, R. B. (1995) Swaposins: Circular permutations within genes
encoding saposin homologues, Trends Biochem. Sci. 20, 179–180.
Wilson, K. P., Shewchuk, L. M., Brennan, R. G., Otsuka, A. J., and Matthews, B. W. (1992)
Escherichia coli biotin holoenzyme synthetase/bio repressor crystal structure delineates the
biotinand DNA-binding domains, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89, 9257–9261.
9