Wikipedia

lac represor

lac represor (LacI) je protein koji se vezuje za DNK i inhibira ekspresiju gena koji kodira proteine uključene u metabolizam laktoze u bakterijama. Ovi geni su potisnuti kada laktoza nije dostupna ćeliji, čime se osigurava da bakterija ulaže energiju samo u proizvodnju neophodnog mehanizma za unos i korištenje laktoze kada je prisutna. Kada laktoza postane dostupna, prvo se pretvara u alolaktozu pomoću β-galaktozidaze (lacZ) u bakterijama. Sposobnost vezivanja za DNK lac represora vezanog sa alolaktozom je inhibirana zbog alosterne regulacije, čime se mogu eksprimirati geni koji kodiraju proteine uključene u unos i korištenje laktoze.

Označena kristalna struktura dimernog LacI: Dva monomera (od ukupno četiri) sarađuju u vezivanju svake sekvence DNK operatora. Monomeri (crveni i plavi) sadrže DNK vezujuće i jedrene domene (obilježene) koji su povezane linkerom (obilježen). Tetramerizacijski heliks C-terminala nije prikazan. Represor je prikazan u kompleksu sa DNK operatora (zlato) i ONPF (zeleno), antiinduktorskim ligandom (tj. stabilizatorom vezivanja DNK)

Funkcija

uredi

lac represor (LacI) djeluje heliks-obrt-heliks motiv u svom DNK-vezujućem domenu, vezujući bazu specifično za glavni žljeb operatorske regije lac operona, sa osnovnim kontaktima također napravljenim od ostataka alfa-heliksa povezanih sa simetrijom, "zglobnih" spirala, koje duboko vežu u mali žlijeb.[1] Ovaj vezani represor može smanjiti transkripciju Lac proteina, tako što okluzira RNK-polimerazno mjesto vezivanja ili podstiče DNK petlju.[2] Kada je laktoza prisutna, alolaktoza se vezuje za lac represor, uzrokujući alosternu promjenu njegovog oblika. U svom promijenjenom stanju, lac represor nije u stanju da se čvrsto veže za svog srodnog operatora. Dakle, gen je uglavnom isključen u odsustvu induktora i uglavnom uključen u prisutnosti induktora, iako stepen ekspresije gena ovisi o broju represora u ćeliji i od afiniteta represora za vezivanje DNK.[3] Izopropil β-D-1-tiogalaktopiranozid (IPTG) je često korišćeni mimik alolaktoze koji se može koristiti za indukciju transkripcije gena reguliranih lac represorom.

Struktura

uredi
 
Tetramerni LacI vezuje dvije operatorske sekvence i inducira DNK petlju. Dvije dimerne LacI funkcionalne podjedinice (crvena+plava i zelena+narandžasta) svaka vezuje sekvencu DNK operatora (označeno). Ove dvije funkcionalne podjedinice spregnute su na području tetramerizacije (označeno); tako, tetramerni LacI vezuje dve sekvence operatora. Ovo omogućava tetramernom LacI da indukuje DNK petlju.

Strukturno, lac proteinski represor je homotetramer. Tačnije, tetramer sadrži dvije podjedinice koje se vezuju za DNK sastavljene od po dva monomera (dimer dimera). Svaki monomer se sastoji od četiri različita regiona:[4][5][6]

  • N-terminalni DNK-vezujući domen (u kojem dva LacI proteina vezuju jedno mjesto operatora)
  • Regulatorni domen (ponekad zvani jezgarni domen, koji veže alolaktozu, alosternu efektorsku molekulu)
  • Linker koji povezuje DNK-vezujući domen sa jezgarnim domenom (ponekad se naziva heliks šarke, što je važno za alosternu komunikaciju[6])
  • C-terminalni tetramerizacijski region (koji spaja četiri monomera u snop alfa-heliksa)

Vezanje DNK događa se preko N-terminalnog heliks-okret-heliks motiva i ciljano je na jednu od nekoliko sekvenci DNK operatora (poznate kao O1, O 2 i O3). Operatorska sekvenca O1 preklapa se malo sa promotorom, što povećava afinitet RNK-polimeraze za sekvencu promotora, tako da ne može ući u elongaciju i ostaje u abortivnoj inicijaciji. Osim toga, budući da svaki tetramer sadrži dvije podjedinice koje se vezuju za DNK, vezivanje višestrukih sekvenci operatora putem jednog tetramera inducira DNK petlju.[7]

Kinetika vezivanja i odvezivanja DNK

uredi
Animacija mehanizma vezivanja i odvezivanja LacI dimera i njegovog ciljnog DNK mjesta.

LacI pronalazi DNK svog ciljnog operatora iznenađujuće brzo. In vitro pretraga je 10–100 puta brža od teorijske gornje granice za dvije čestice koje traže jedna drugu putem difuzije u tri dimenzije (3D).[8] Da bi se objasnila brza pretraga, pretpostavljena je hipoteza da LacI i drugi transkripcijski faktor (TF) pronalaze svoja mjesta vezivanja olakšanom difuzijom, kombinacijom slobodne difuzije u 3D i 1D-klizanja na DNK.[9] Tokom klizanja, represor je u kontaktu sa spiralom DNK, klizi okolo i prati njen glavni žlijeb, što ubrzava proces pretraživanja, produžujući ciljnu dužinu kada TF klizi na operatora sa strane. In vivo eksperimenti s jednom molekulom sa ćelijama E.coli testirali su sada i verificirali model olakšane difuzije i pokazali da TF skenira u prosjeku 45 bp tokom svakog kliznog događaja, prije nego što se TF spontano odvoji i nastavi sa istraživanjem genoma u 3D.[10] Ovi eksperimenti također sugeriraju da LacI klizi preko O1 operatora nekoliko puta prije vezivanje, što znači da različite sekvence DNK mogu imati različite vjerovatnoće da budu prepoznate pri svakom susretu sa TF. Ovo implicira kompromis između brze pretrage na nespecifičnim sekvencama i vezivanja za specifične sekvence.[10] Eksperimenti in vivo i in vitro pokazali su da je ta vjerovatnoća prepoznavanja operatora koji se mijenja sa sekvencom DNK, dok se vrijemeostajanja TF u vezanoj konformaciji na operatoru manje mijenja sa sekvencom.[11] TF često napušta redoslijed koji je namijenjen regulaciji, ali na jakom ciljnom mjestu, gotovo uvijek napravi vrlo kratko putovanje prije nego što ponovo pronađe put nazad. Na makroskopskoj skali, ovo izgleda kao stabilna interakcija. Ovaj mehanizam vezivanja objašnjava kako proteini koji se vezuju za DNK uspijevaju brzo pretražiti ćelijski genom, bez da se predugo zaglave u sekvencama koje liče na pravu metu.

Simulacija molekulske dinamike sa svim atomima sugerira da transkripcijski faktor nailazi na barijeru od 1 kBT tokom klizanja i 12 kBT za disocijaciju, što implicira da će represor kliziti preko 8 bp u prosjeku prije disocijacije.[12] In vivo model pretraživanja za lac represor uključuje prijenos međusegmenata i skakanje, kao i gužvanje drugim proteinima koji genom u ćelijama "E.coli" čine manje dostupnim za represor .[13] Postojanje skakanja, gdje protein isklizne iz glavnog žlijeba DNK kako bi sletio u drugi obližnji žlijeb duž lanca DNK, dokazano je direktnije in vitro, gdje je uočeno da lac represor zaobilazi operatore, okrenuvši orijentaciju i rotirajući dužim korakom od perioda od 10,5 bp DNK dok se kreće duž njega.[14]

Otkriće

uredi

lac represor su prvi izolirali Walter Gilbert i Benno Müller-Hill 1966.[15] Oni su pokazali da je in vitro protein vezan za DNK koja sadrži lac operon, i da je oslobodio DNK kada IPTG (analog alolaktoze).

Također pogledajte

uredi

Reference

uredi
  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.
  7. ^ Oehler S, Eismann ER, Krämer H, Müller-Hill B (April 1990). "The three operators of the lac operon cooperate in repression". The EMBO Journal. 9 (4): 973–9. doi:10.1002/j.1460-2075.1990.tb08199.x. PMC 551766. PMID 2182324.
  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.
  9. ^ Berg, Otto G.; Winter, Robert B.; Von Hippel, Peter H. (1981-11-01). "Diffusion-driven mechanisms of protein translocation on nucleic acids. 1. Models and theory". Biochemistry. American Chemical Society (ACS). 20 (24): 6929–6948. doi:10.1021/bi00527a028. ISSN 0006-2960.
  10. ^ a b Hammar, Petter; Leroy, Prune; Mahmutovic, Anel; Marklund, Erik G.; Berg, Otto G.; Elf, Johan (2012-06-22). "The lac Repressor Displays Facilitated Diffusion in Living Cells". Science (jezik: engleski). 336 (6088): 1595–1598. Bibcode:2012Sci...336.1595H. doi:10.1126/science.1221648. ISSN 0036-8075. PMID 22723426. S2CID 21351861.
  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.
  12. ^ Marklund, Erik G.; Mahmutovic, Anel; Berg, Otto G.; Hammar, Petter; Spoel, David van der; Fange, David; Elf, Johan (2013-12-03). "Transcription-factor binding and sliding on DNA studied using micro- and macroscopic models". Proceedings of the National Academy of Sciences (jezik: engleski). 110 (49): 19796–19801. Bibcode:2013PNAS..11019796M. doi:10.1073/pnas.1307905110. ISSN 0027-8424. PMC 3856812. PMID 24222688.
  13. ^ Mahmutovic, Anel; Berg, Otto G.; Elf, Johan (2015-03-16). "What matters for lac repressor search in vivo—sliding, hopping, intersegment transfer, crowding on DNA or recognition?". Nucleic Acids Research (jezik: engleski). 43 (7): 3454–3464. doi:10.1093/nar/gkv207. ISSN 1362-4962. PMC 4402528. PMID 25779051.
  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.

Vanjske veze

uredi


Preuzeto iz "https://bs.wikipedia.org/w/index.php?title=Lac_represor&oldid=3464701"