DNA與蛋白質(zhì)的相互作用-生化課件

DNA與蛋白質(zhì)的

相互作用2011.11研究意義生物分子之間的相互作用是生命現(xiàn)象發(fā)生的基礎(chǔ)。一切生命過程都是生物分子之間或生物分子和其他物質(zhì)分子之間進行接觸，相互作用，發(fā)生物理和化學(xué)變化所引起的。因此，研究生物分子之間的相互作用可以闡明生物反應(yīng)的機理，揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)。蛋白質(zhì)和核酸是構(gòu)成生命體最為重要的兩類生物大分子。蛋白質(zhì)與核酸的相互作用是分子生物學(xué)研究的中心問題之一。前景與展望1.很多細(xì)胞的生命活動涉及到特定的DNA區(qū)段與特殊蛋白質(zhì)結(jié)合因子之間的相互作用：DNA的復(fù)制和重組；mRNA的轉(zhuǎn)錄和修飾；病毒的感染與增殖等。2.隨著人類基因組測序工作的基本完成，功能基因組學(xué)的研究顯得尤為重要。而基因表達調(diào)控是功能基因組學(xué)的一個重要研究領(lǐng)域。而要深入研究基因表達調(diào)控的分子機制必須要研究DNA與蛋白質(zhì)的相互作用。3.在重組DNA技術(shù)發(fā)展以來，已相繼分離到大量的具有重要生物學(xué)意義的基因。在這種情況下科學(xué)工作者開始把自己的研究興趣逐漸轉(zhuǎn)向DNA結(jié)合蛋白這一課題上。

進一步研究DNA~蛋白質(zhì)的相互作用需要生物學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、計算機學(xué)、電子學(xué)等多學(xué)科的協(xié)作。作用類型

與單鏈RNA結(jié)合與莖環(huán)結(jié)構(gòu)結(jié)合與雙鏈DNA結(jié)合：普遍性結(jié)合特異性結(jié)合DNA與蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)生物體內(nèi)的核酸通常都與蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合物，以核蛋白（nucleoprotein）的形式存在?；蚪MDNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體（染色質(zhì)）。病毒可以看成是游離的染色體。染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位是核小體（nucleosome）。核小體由組蛋白核心（H2A、H2B、H3和H4各兩分子構(gòu)成八聚體）和盤繞其上的DNA所構(gòu)成。組蛋白H1結(jié)合于連接DNA上，使核小體相連。核小體還可以進一步壓縮成螺線管結(jié)構(gòu)，螺線管結(jié)構(gòu)再折疊形成染色單體，染色單體結(jié)合非組蛋白形成染色體。在病毒顆粒和真核生物的染色體中，DNA通常以超螺旋和其他三級結(jié)構(gòu)的形式存在，DNA與蛋白質(zhì)等的復(fù)合物則屬于四級結(jié)構(gòu)。結(jié)合特性1.DNA識別部位有二度對稱性。蛋白質(zhì)一般是有二度對稱結(jié)構(gòu)的二聚體，兩個單體具有旋轉(zhuǎn)對稱性，與鹼基的旋轉(zhuǎn)對稱吻合。2.蛋白質(zhì)和DNA的接觸區(qū)只在DNA的一側(cè)。3.在結(jié)合過程中，蛋白質(zhì)和DNA都有構(gòu)像改變。4.普遍性結(jié)合：蛋白質(zhì)中帶正電荷氨基酸與DNA骨架的磷酸基團形成離子鍵。5.特異性結(jié)合：識別螺旋區(qū)內(nèi)氨基酸與DNA特定鹼基接觸。蛋白質(zhì)與DNA的普遍性結(jié)合

中DNA的特點

蛋白質(zhì)與DNA主鏈骨架接觸，大多數(shù)涉及磷酸二酯鍵中的氧原子。與DNA堿基序列特異性無關(guān)結(jié)構(gòu)的匹配性：旋轉(zhuǎn)對稱性特定距離的相反電荷形成氫鍵基團排布上的匹配形成足夠大的范德華力Pr-DNA特異性結(jié)合中DNA的特點大溝內(nèi)存在特異性識別信息氨基酸與堿基對共平面氨基酸和堿基對之間形成氫鍵

Pr-DNA普遍結(jié)合中Pr的特點

β-折疊結(jié)構(gòu)的帶正電荷殘基與磷酸集團結(jié)合可能是通過識別小溝結(jié)構(gòu)實現(xiàn)1.富含脯氨酸和堿性氨基酸組蛋白有重復(fù)的SPKK：Ser/Thr-Pro-Lys/ArgLys/ArgPRGRP序列與A-T堿基對結(jié)合;KPRGRPK序列也能與小溝A-T結(jié)合2.堿性螺旋組蛋白H1的C端57個氨基酸Lys和Gly,Lys在螺旋兩側(cè)，Gly夾在中間3.蛋白磷酸化作用SPXX：Ser磷酸化;TPKK：Tyr磷酸化磷酸化后和DNA結(jié)合能力下降;磷酸化失去氫鍵Pr-DNA特異性結(jié)合中Pr的特點1.蛋白質(zhì)多形成二聚體2.HTH（helix-turn-helix）復(fù)合物3.同源盒結(jié)構(gòu)(同源盒基因均含有180bp的高度保守序列，位于靠近3′端的分散的外顯子上。這段序列編碼60個氨基酸的同源結(jié)構(gòu)域。HD折疊成4個α-螺旋結(jié)構(gòu)。X-射線晶體學(xué)研究表明螺旋Ⅰ與Ⅱ平行，螺旋Ⅲ與前2個基本垂直，ⅡⅢ螺旋和它們之間的轉(zhuǎn)折形成HTH結(jié)構(gòu)

)4.亮氨酸拉鏈(leucinezipper)結(jié)構(gòu)

(一種蛋白質(zhì)中常見的結(jié)構(gòu)模體，由一組(通常是4～5個)重復(fù)片段組成，每個重復(fù)片段的第7個氨基酸殘基均為亮氨酸，兩條含有此模體的多肽鏈可形成卷曲螺旋結(jié)構(gòu))

5.鋅指結(jié)構(gòu)基因表達過程中

的DNA與蛋白質(zhì)的相互作用復(fù)制：拓?fù)洚悩?gòu)酶、解旋酶、單鏈結(jié)合蛋白、引物合成酶、DNA聚合酶及連接酶等酶和蛋白質(zhì)的參與。轉(zhuǎn)錄：RNA聚合酶；翻譯：氨酰-tRNA合成酶、肽基轉(zhuǎn)移酶；參與折疊和加工的酶。（蛋白質(zhì)與RNA的相互作用）兩個概念順式作用元件（cis-actingelement）：存在于基因旁側(cè)序列中能夠影響基因表達的序列，包括啟動子、增強子、調(diào)控序列和可誘導(dǎo)元件等。其本身不編碼任何蛋白質(zhì)，它僅僅提供一個作用位點，與反式作用因子相互作用參與基因表達調(diào)控。element反式作用因子（trans-acting）：指能直接或間接地識別或結(jié)合在各類順式作用元件核心序列上參與調(diào)控靶蛋白基因轉(zhuǎn)錄效率的蛋白質(zhì)。DNA與蛋白質(zhì)之間的相互作用是指順式作用元件與反式作用因子之間的特異性識別與結(jié)合，從DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯、基因表達調(diào)控到染色質(zhì)的組裝，都涉及到DNA與蛋白質(zhì)的相互作用。大部分結(jié)合蛋白有自己的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，主要分為leu拉鏈、螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋、螺旋-環(huán)-螺旋-鋅指結(jié)構(gòu)以及同質(zhì)異形結(jié)構(gòu)域幾種結(jié)構(gòu)模式，它們靠對DNA螺旋大溝中的氫鍵的特異識別，以非共價鍵與DNA結(jié)合，來執(zhí)行不同的功能。經(jīng)典舉例操縱子（operon）：是指原核生物中由一個或多個相關(guān)基因以及轉(zhuǎn)錄翻譯調(diào)控元件組成的基因表達單元。啟動子（promoter）：與基因表達啟動相關(guān)的順式作用元件，是結(jié)構(gòu)基因的重要成分。它是一段位于轉(zhuǎn)錄起始位點5’端上游區(qū)大約100~200bp以內(nèi)的具有獨立功能的DNA序列，能活化RNA聚合酶，使之與模板DNA準(zhǔn)確地相結(jié)合并具有轉(zhuǎn)錄起始的特異性。RNA聚合酶（polymerase）：以一條DNA鏈或RNA為模板催化由核苷-5′-三磷酸合成RNA的酶。是催化以DNA為模板（template）、三磷酸核糖核苷為底物、通過磷酸二酯鍵而聚合的合成RNA的酶。因為在細(xì)胞內(nèi)與基因DNA的遺傳信息轉(zhuǎn)錄為RNA有關(guān)，所以也稱轉(zhuǎn)錄酶。催化轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶是一種由多個蛋白亞基組成的復(fù)合酶。全酶（holoenzyme）的組成是α2ββ’δ。α亞基與RNA聚合酶的四聚體核心（α2ββ’）的形成有關(guān)；β亞基含有核苷三磷酸的結(jié)合位點；β’亞基含有與DNA模板的結(jié)合位點；而Sigma因子只與RNA轉(zhuǎn)錄的起始有關(guān)，與鏈的延伸沒有關(guān)系，一旦轉(zhuǎn)錄開始，δ因子就被釋放，而鏈的延伸則由四聚體核心酶（coreenzyme）催化。所以，δ因子的作用就是識別轉(zhuǎn)錄的起始位置，并使RNA聚合酶結(jié)合在啟動子部位。

正調(diào)控與負(fù)調(diào)控原核生物的基因調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，根據(jù)調(diào)控機制的不同可分為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（negativetranscriptionregulation）和正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（positivetranscriptionregulation）。負(fù)調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白（repressor）,起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。根據(jù)其作用特征又可分為負(fù)控誘導(dǎo)和負(fù)控阻遏兩大類。正調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白（activator）。根據(jù)激活蛋白的作用特征又可分為正控誘導(dǎo)系統(tǒng)和正控阻遏系統(tǒng)。誘導(dǎo):在某些代謝物或化合物的作用下，基因由原來的關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)誘導(dǎo)物：能引起誘導(dǎo)發(fā)生的