DNA結合タンパク質
DNAとCroタンパク質の複合体
DNA（オレンジ）とヒストン（青）の相互作用。これらのタンパク質の塩基性アミノ酸は、DNA上の酸性リン酸基に結合します。
ラムダリプレ​​ッサーヘリックスターンヘリックス転写因子はDNA標的に結合する[ 1 ]
制限酵素EcoRV（緑）とその基質DNAの複合体[ 2 ]

DNA結合タンパク質は、 DNA結合ドメインを持ち、一本鎖または二本鎖DNAに対して特異的または一般的な親和性を持つタンパク質である。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]配列特異的DNA結合タンパク質は、塩基対を識別する官能基がより多く露出しているため、一般的にB-DNAの主溝と相互作用する。[ 6 ] [ 7 ]

例

DNA結合タンパク質には、転写プロセスを調整する転写因子、様々なポリメラーゼ、DNA分子を切断するヌクレアーゼ、そして細胞核内で染色体のパッケージングと転写に関与するヒストンが含まれます。DNA結合タンパク質は、核酸への結合を促進するジンクフィンガー、ヘリックス・ターン・ヘリックス、ロイシンジッパーなどのドメイン（その他多数）を組み込むことができます。転写活性化因子様エフェクターなど、より珍しい例もあります。

非特異的DNA-タンパク質相互作用

DNA に結合する構造タンパク質は、非特異的 DNA タンパク質相互作用のよく理解されている例です。染色体内で、 DNA は構造タンパク質との複合体で保持されています。これらのタンパク質は DNA をクロマチンと呼ばれるコンパクトな構造に組織化します。真核生物では、この構造はヒストンと呼ばれる小さな塩基性タンパク質の複合体に DNA が結合することを伴います。原核生物では、複数の種類のタンパク質が関与しています。[ 8 ] [ 9 ]ヒストンはヌクレオソームと呼ばれる円盤状の複合体を形成し、その表面には 2 回転の完全な二本鎖 DNA が巻き付いています。これらの非特異的相互作用は、ヒストンの塩基性残基がDNA の酸性の糖リン酸骨格にイオン結合することで形成されるため、塩基配列とはほとんど関係がありません。 [ 10 ] これらの塩基性アミノ酸残基の化学修飾には、メチル化、リン酸化、アセチル化などがあります。[ 11 ]これらの化学変化は DNA とヒストンの相互作用の強さを変え、DNA が転写因子にアクセスしやすくなったり、転写速度が変わったりする。[ 12 ]クロマチン中の他の非特異的 DNA 結合タンパク質には、曲がったり歪んだ DNA に結合する高移動度グループ(HMG) タンパク質が含まれる。 [ 13 ]生物物理学的研究では、これらの構造的な HMG タンパク質が DNA に結合し、曲げたりループしたりして生物学的機能を果たすことが示されている。[ 14 ] [ 15 ]これらのタンパク質は、ヌクレオソームの配列を曲げ、染色体を形成するより大きな構造に配置するのに重要である。[ 16 ]最近、FK506 結合タンパク質25 (FBP25) も DNA に非特異的に結合し、DNA 修復を助けることが示された。[ 17 ]

一本鎖DNAに特異的に結合するタンパク質

DNA結合タンパク質の明確なグループの一つは、一本鎖DNAに特異的に結合するDNA結合タンパク質です。ヒトにおいては、複製タンパク質Aがこのファミリーの中で最もよく理解されており、DNA複製、組換え、DNA修復など、二重らせん構造が分離するプロセスで利用されています。[ 18 ]これらの結合タンパク質は、一本鎖DNAを安定化させ、ステムループの形成やヌクレアーゼによる分解から保護すると考えられています。

特定のDNA配列への結合

転写因子の異なるタイプのDNA結合ドメインのDNA接触

対照的に、他のタンパク質は特定のDNA配列に結合するように進化してきました。これらの中で最も集中的に研究されているのは、転写を制御するタンパク質である様々な転写因子です。各転写因子は特定のDNA配列セットに結合し、プロモーター付近にこれらの配列を持つ遺伝子の転写を活性化または阻害します。転写因子は2つの方法でこれを行います。まず、転写を担うRNAポリメラーゼに直接または他のメディエータータンパク質を介して結合します。これにより、ポリメラーゼがプロモーター上に位置付けられ、転写を開始できるようになります。[ 19 ]また、転写因子はプロモーター上のヒストンを修飾する酵素に結合することもできます。これにより、DNAテンプレートのポリメラーゼへのアクセス性が変わります。[ 20 ]

これらのDNA標的は、生物のゲノム全体にわたって発生する可能性がある。そのため、1種類の転写因子の活性の変化が、何千もの遺伝子に影響を及ぼす可能性がある。[ 21 ]そのため、これらのタンパク質は、環境変化や細胞の分化・発達に対する応答を制御するシグナル伝達プロセスの標的となることが多い。 これらの転写因子とDNAの相互作用の特異性は、タンパク質がDNA塩基の端に複数回接触し、 DNA配列を読み取ることができることから生じる。これらの塩基相互作用のほとんどは、塩基が最もアクセスしやすい主溝で行われる。[ 22 ]配列特異性、および異なる種類のタンパク質の競合的および協同的結合を考慮したタンパク質-DNA結合の数学的記述は、通常、格子モデルを用いて実行される。[ 23 ]ポストゲノム時代の豊富な配列データを有効に活用するために、DNA結合配列の特異性を特定する計算方法が提案されている。[ 24 ]さらに、深層学習を用いたタンパク質ファミリー間の結合特異性の構造ベースの予測においても進歩がありました。[ 25 ]

タンパク質-DNA相互作用

タンパク質-DNA相互作用は、タンパク質がDNA分子に結合することで起こり、多くの場合、 DNAの生物学的機能、特に遺伝子の発現を制御するために起こります。DNAに結合するタンパク質には、DNAモチーフに結合して遺伝子発現を活性化または抑制する転写因子や、DNA構造の一部を形成し、DNAに低特異性に結合するヒストンなどがあります。また、ウラシル-DNAグリコシラーゼなどのDNA修復タンパク質もDNAと密接に相互作用します。

一般的に、タンパク質はDNAの主溝に結合しますが、例外もあります。[ 26 ]タンパク質-DNA相互作用は、主に特異的相互作用と非特異的相互作用の2種類に分類されます。最近の単分子実験では、DNA結合タンパク質は標的部位を認識するために正しい方向に結合するために、迅速な再結合を起こすことが示されました。[ 27 ]

デザイン

特定のDNA結合部位を有するDNA結合タンパク質の設計は、バイオテクノロジーの重要な目標である。ジンクフィンガータンパク質は特定のDNA配列に結合するように設計されており、これがジンクフィンガーヌクレアーゼの基礎となっている。最近、転写活性化因子様エフェクターヌクレアーゼ（TALEN）が作製された。これは、キサントモナス属細菌が様々な植物種に感染した際に、そのIII型分泌系を介して分泌される天然タンパク質に基づいている。[ 28 ]

検出方法

DNA-タンパク質相互作用の検出に有用なin vitroおよびin vivo技術は数多くある。現在使用されている方法のいくつかを以下に示す。 [ 29 ]電気泳動移動度シフトアッセイ（EMSA）は、既知のDNA結合タンパク質のタンパク質-DNA相互作用を調べるために広く用いられている定性的な技術である。[ 30 ] [ 31 ] DNA-タンパク質相互作用-酵素結合免疫吸着アッセイ（DPI-ELISA）は、 in vitroでの既知のタンパク質のDNA結合の好みの定性および定量的な分析を可能にする。[ 32 ] [ 33 ]この技術は、DNAに結合するタンパク質複合体の分析（DPI-リクルートメント-ELISA）を可能にし、また標準的なELISAプレート形式であるため、いくつかのヌクレオチドプローブの自動スクリーニングに適している。[ 34 ] [ 35 ] DNaseフットプリントアッセイは、塩基対の解像度でタンパク質がDNAに結合する特定の部位を識別するために使用できる。[ 36 ]クロマチン免疫沈降法は、既知の転写因子の生体内DNA標的領域を同定するために使用されます。この技術は、ハイスループットシーケンシングと組み合わせるとC​​hIP-Seqとして知られており、マイクロアレイと組み合わせるとC​​hIP-chipとして知られています。酵母ワンハイブリッドシステム（Y1H）は、どのタンパク質が特定のDNA断片に結合するかを識別するために使用されます。細菌ワンハイブリッドシステム（B1H）は、どのタンパク質が特定のDNA断片に結合するかを識別するために使用されます。X線結晶構造解析を使用した構造決定は、タンパク質–DNA相互作用の非常に詳細な原子レベルのビューを提供するために使用されています。これらの方法に加えて、SELEX、PBM（タンパク質結合マイクロアレイ）、DNAマイクロアレイスクリーン、DamID、FAIRE、または最近ではDAP-seqなどの他の技術が、生体内および生体外でのDNA–タンパク質相互作用を調べるために実験室で使用されています。

相互作用を操作する

タンパク質-DNA相互作用は、緩衝液のイオン強度、高分子の密集度、[ 27 ]温度、pH、電場などの刺激によって調節することができる。これにより、タンパク質-DNA複合体の可逆的な解離/会合が引き起こされる。[ 37 ] [ 38 ]

参照

参考文献

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