蛋白质与核酸的相互作用核酸结合蛋白

蛋白质与核酸的相互作用

-------核酸结合蛋白主要介绍内容核酸结合蛋白的功能与分类核酸被蛋白质识别蛋白质中DNA结合motif蛋白质中RNA结合motif蛋白质核酸结合的分子基础序列特异性结合研究蛋白质核酸相互作用的技术一、核酸结合蛋白的功能与分类核酸结合蛋白的功能：结构和包装蛋白:

染色体中的组蛋白、病毒的衣壳蛋白等；运输和定位作用:DNA在核仁分离和定位、质粒的转移等；代谢和重排作用:

与DNA和RNA聚合、修复、重组等；基因表达作用:

基因复制、转录、翻译等。一、核酸结合蛋白的功能与分类核酸结合蛋白的分类：非特异性结合蛋白质序列特异性结合蛋白质结合非正常结构的蛋白质(与DNA不正常碱基、重组中间体结合的蛋白质等)二、核酸的蛋白质识别2.1DNA识别的一般方式2.1.1同双链DNA结合的蛋白质种类同DNA末端相互作用的蛋白质：DNA外切酶、DNA连接酶等；围绕DNA或以深的狭缝结合DNA的蛋白质：DNA聚合酶、拓扑异构酶等；同DNA双螺旋的表面作用的蛋白质：大多数转录因子、限制性内切酶、DNA包装蛋白、位点特异的重组酶、DNA修复酶等2.1.2DNA结合蛋白的基本识别结构结合结构识别部位分布举例螺旋-转角-螺旋α-螺旋所有生物

大肠杆菌LacZ阻遏物

（编码-半乳糖苷酶）HMG结构域(highmobilitygroup)α-螺旋真核生物大鼠的HMG1(敏感染色质的非组蛋白)锌指蛋白α-螺旋主要真核生物小鼠的Zif268结构类固醇受体家族α-螺旋真核生物大鼠糖皮质激素等碱性结构域α-螺旋真核生物人类的MyoD蛋白等带状-螺旋-螺旋β-折叠所有生物大肠杆菌MetJ阻遏物组蛋白-核心静电作用α-螺旋真核生物人类TAFII31等2.2RNA识别的一般方式与RNA结合的蛋白质多以β-折叠为识别部位。RNA结构的特点：胞内RNA一般呈单链结构，但往往折叠成各种二级结构（突起、发夹、茎环等）。hnRNPK真核生物环区K-同源蛋白果蝇的Staufen蛋白所有生物β-折叠dsRBDU1AsnRNP真核生物β-折叠核糖核酸蛋白结构域举例分布结合部位结合结构RNA结合蛋白中的基本结构三、蛋白质中与DNA结合的motif3.1螺旋-转角-螺旋（HTH）motif3.1.1螺旋-转角-螺旋motif基本模式3.1螺旋-转角-螺旋motif3.1.2HTH存在部位：基因调控蛋白结构中，如LacZ阻遏蛋白、Trp阻遏蛋白、λ-阻遏蛋白Cro、噬菌体434阻遏蛋白等。3.1.3HTH结构特点：两个α-螺旋之间的β-转角一般有四个氨基酸组成，其中第二个氨基酸多为Gly，第一个螺旋起稳定作用，并使第二个螺旋(C-端）暴露出来与DNA大沟结合。3.1.4

有的HTH结构由4个α-螺旋，此时一般第二和第三个α-螺旋起稳定和结合作用，如果蝇中的触角足蛋白。各种序列特异的DNA结合蛋白的HTH结构域3.1螺旋-转角-螺旋motifHTHmotif。一个二聚HTH蛋白结合到一个二分对称的DNA位点。识别螺旋（Helix3,红色）与DNA大沟发生相互作用。3.2半胱氨酸-组氨酸锌指3.2.1Cys2-His2锌指组件锌指结构（Zincfinger）是第一个被发现的真核细胞中与DNA结合的蛋白质，在真核基因组中广泛存在，其约占基因组的0.5%，在原核生物中虽有发现，但相对较少。目前已发现有六种类型，其经典结构如右图。3.2.2常见的锌指结构三种类型双核基因簇锌指核受体锌指经典锌指3.2.3锌指结构的特点Cys2His2锌指：在与锌离子结合的肽链上有一个保守的序列：C-X2-4-C-X2-4-F-X5-L-X2-H-X3-4-H.其中L位于锌指的手指端，与DNA的大沟作用。多Cys锌指结构：与锌离子相连的氨基酸均为半胱氨酸，多存在于类固醇激素核受体家族。锌双核族锌指结构：由6个半胱氨酸共与两个锌离子结合，具有下列保守结构：C-X2-C-X6-C-X6-C-X2-C-X6-C3.2.3锌指结构的特点Cys2His2锌指蛋白与DNA形成复合物的X-射线晶体衍射图谱。三个锌指以半环状排列于DNA的大沟中。3.2.3锌指结构的特点雌激素受体(ER)DNA结合结构域与DNA识别因子配位的同二聚体。其中四个圆代表二聚体中的四个Zn离子。3.3碱性结合结构域都有一个高度碱性的α螺旋，作为与DNA识别的基本结构；包括碱性亮氨酸拉链和碱性螺旋-环-螺旋两种结构。二聚bZIP蛋白亮氨酸拉链结构示意图3.3碱性结合结构域bZIP转录因子c-Fos：c-Jun异二聚体结合于DNA寡聚体的晶体结构3.3碱性结合结构域研究表明：碱性结合结构域中，与DNA结合识别的α螺旋可能是与DNA结合的结果。如酵母bZIP蛋白的碱性结构域,在溶液中为一种无序的部分螺旋的结构;当其同DNA结合时，这种构象发生了变化，诱导了典型的α螺旋形成。3.4类组蛋白结构motif真核细胞的DNA分子，通过与组蛋白的作用，将组蛋白包裹成核小体。每个核小体中含有两个负超螺旋的DNA结构，与组蛋白相结合。序列分析表明，组蛋白H2A、H2B、H3和H4之间仅有20%的同源性，但它们都包含介导二聚体化的螺旋-链-螺旋结构。H1也具有相似的结构。3.4类组蛋白结构motif研究表明：许多转录因子与组蛋白同源，如人类TAFII31与H3同源；TAFII80与H4同源；TAFII20同H2B同源，但目前还没有找到与H2A同源的因子。更为惊奇的是TAFII20、TAFII31和TAFII80可以组成类似于组蛋白八聚体的四级结构。3.5通过β链识别的蛋白在三种细菌阻遏物（MetJ，Are和Mnt）中发现了一种带-螺旋-螺旋的motif，这三个阻遏物以二聚体的形式作用，每个单体提供一个由两个α螺旋稳定的单个β链，二聚化是DNA结合结构域所必须的。3.5通过β链识别的蛋白DNA识别区域是由1-2个β链折叠结构组成，它们可以进入DNA大沟。四、蛋白质中RNA结合motifRNP（核糖核蛋白）结构域：

有两个保守motif-RNP1和RNP2，均为一个大结构的一部分，β-α-β-β-α-β，其中motif位于中心的一个β折叠处。通常与SnRNA结合,SnRNA的一个发夹结构和蛋白的motif富含负电荷残基结合。四、蛋白质中RNA结合motif双链RNA结合结构域（dsRBD）:

是一个短的（约65Aa）组件，存在于果蝇Staufen、大肠杆菌RNaseIII等蛋白质中。形成β-α-β-α-β结构，但与双链RNA结合位点位于第二个α螺旋和β折叠形成的裂缝中。四、蛋白质中RNA结合motifK同源结构域：先发现于hnRNA结合蛋白K中，现在FMR1基因产物中也有发现。含有三个α螺旋和三个β折叠：β-α-α-β-β–α。与RNA特异性相互作用发生于头两个α螺旋连接区。其它RNA结合结构域：上面有些DNA结合蛋白结构motif也可以与RNA结合，如锌指蛋白TFIIIA可同5SrRNA结合。只是有的与DNA大沟结合的氨基酸残基，在RNA小沟中容纳不下，可能与其它残基结合。

五、蛋白质核酸结合的分子基础5.1核酸与蛋白质的直接作用核酸蛋白质直接作用的四种途径：蛋白质侧链与碱基的作用（序列特异性相互作用的主要形式）；蛋白质主链（如氨基）与碱基作用；蛋白质侧链与磷酸骨架作用；蛋白质主链与磷酸骨架作用。核酸蛋白质直接作用的力：氢键、范德华力、疏水作用、静电作用(离子键)等。5.2水在蛋白质核酸相互作用中地位

水作为填充物或参与键的形成。在非特异性核酸结合蛋白中，水被认为是绝缘子，衬于核酸和蛋白质表面,使得可以相互滑动到特异性位点。水还具有直接的作用：一是在有些核酸-蛋白质作用中(如Trp-阻遏物-DNA的复合物中)，水负责结合的亲合力和特异性；二是水可以延伸蛋白质和核酸组成的氢键网络(水分子固定为一种特殊的构象)。5.3核酸结构的分子调节蛋白质与核酸的结合使核酸的一级结构发生变化，使两个接触面更加吻合。例如:EcoRI内切酶选择底物的特异序列;EcoRV可以和许多序列结合，对底物的选择性发生于与底物的结合过程，仅有某些序列可以发生解旋和扭曲，成为合适的底物。5.4二聚化A.

增加蛋白和碱基的接触面,增加特异性;B.

通过增加的接触面使复合体更加稳定;C.

同源二聚体识别回文序列。六、序列特异性结合6.1蛋白质识别的DNA序列在蛋白质和DNA识别过程中,一些蛋白质造成一个或几个碱基对的解离,但大部分识别发生在闭合双链前后。直接解读：涉及在大沟和小沟处蛋白质与碱基之间的相互作用，有蛋白质和DNA之间作用，也有水分子作为桥在其中发挥作用。非直接解读：涉及蛋白质、糖链和磷酸骨架间的相互作用,蛋白质和DNA特殊序列,以及糖链的作用,使蛋白质和DNA呈特殊构象,从而使它们之间可以相互识别。6.2DNA中的分子信号

H供体受体受体

CH3

受体供体受体

受体供体受体

受体H受体NNCH3OONNNNNHONNNNHCGTAHNNHNOHHHHNHH大沟侧小沟侧大沟的特异性，小沟的简并性6.3解读蛋白质中的氨基酸许多蛋白质中氨基酸序列差异很大，但却具有相似的空间结构，如HTH、锌指等。结构域交换：通过基因工程手段，将结构域替换，研究结构域是否必须及重要性。结果表明，许多结构域对于与DNA的结合非常重要。6.3解读蛋白中的氨基酸部分替换：用基因工程方法替换结构域中的某些残基，研究其对与DNA结合的重要性。结构分析：用X-射线、NMR方法研究发现，在DNA和蛋白质结合过程中，蛋白质和DNA的构象发生了适宜性的变化，水分子在蛋白和DNA的相互作用中也发挥了特殊的作用。6.4假定的锌指蛋白DNA识别密码

目前还没有发现一套普遍的密码适用于所有的蛋白质和氨基酸，但在锌指蛋白中发现了一个初步的规律。TAG3’5’锌指蛋白氨基酸残基与DNA碱基对应关系三联体密码中碱基的位置碱基5’中部3’A3—Asn-1—Gln+2--AlaC3—Asn，Leu，Thr，ValG6—Arg；6–Ser，Thr+2--Asp3—His-1—Arg+2—AspT6—Ser，Thr+2--Asp3—Ala，Ser，Val；-1--Asn-1—Gln+2--Ser与Zif268相关的锌指蛋白的部分DNA识别密码6.5序列特异性RNA识别

由于RNA种类繁多、结构多样，目前还没有总结识别的规律。七、蛋白质核酸相互作用的研究技术7.1同蛋白质结合的核酸序列研究7.1.1凝胶阻滞分析：原理：蛋白质可以与末端标记的核酸探针结合，电泳时这种DNA/RNA蛋白质复合物比裸露的DNA或RNA电泳迁移慢,即表现为相对滞后。

用途:鉴定和了解与蛋白质结合的DNA或RNA位点;说明: