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Lexikon der Biochemie: DNA-bindende Proteine

DNA-bindende Proteine, Struktur- und/oder regulative Proteine, die an die DNA gebunden sind. Proteine, die die Transcription bestimmter Gene (Operon) reprimieren oder induzieren, müssen in der Lage sein, spezifische Nucleotidsequenzen zu erkennen, während Histone allgemeinere Merkmale erkennen können, wie Gebiete mit höherem oder niedrigerem GC-Gehalt. Variationen der Propellerverdrehung (engl. propeller twist) und der Neigung der Basenpaare bezogen auf ihre Nachbarbasen (engl. base roll; Desoxyribonucleinsäure) stehen in enger Beziehung zu den Basensequenzen synthetischer DNA-Oligomere. Es ist wahrscheinlich, dass diese Variationen die Wasserstoffbrückenbindungen der Proteine beeinflussen und somit die Basis für die Sequenzerkennung von Proteinen darstellen. Die Z-Form der DNA sollte für Proteine leicht erkennbar sein. Die Konfiguration der Z-Form hat gewöhnlich einen höheren Energieinhalt als die A- oder B-Form und wird durch alternierende Purin- und Pyrimidinsequenzen oder durch Proteine stabilisiert. Bei der idealen B-Form der DNA ist die kleine Furche (ca. 0,5nm breit, ca. 0,8nm tief) zu schmal, um Proteinstrukturelemente unterbringen zu können, während dies in der großen Furche (ca 1,2nm breit, 0,8nm tief) möglich ist. Im Regulationsbereich vieler Gene treten alternierende Purin-Pyrimidinsequenzen gehäuft auf.
Röntgenstruktur- und NMR-Untersuchungen zufolge besitzen eine Reihe von Proteinen, die die Genexpression regulieren, eine Supersekundärstruktur, das sog. Helix-Turn-Helix-Motiv (HTH-Motiv). Das HTH-Motiv besteht aus zwei symmetrisch angeordneten α-helicalen Strukturen, von denen jede ca. 20 Reste mit ähnlicher Primärstruktur enthält. Die Helices kreuzen sich unter einem Winkel von ca. 120 ° und sind räumlich so angeordnet, dass sie an zwei aufeinanderfolgende Windungen der großen Furche der DNA-Helix binden können. Beispiele für regulatorische Proteine, die ein HTH-Motiv besitzen, sind: 1) das Cro, ein Repressor des Repressorerhaltungspromotors P-RM im Bakteriophagen Lambda; 2) der Lambda-Repressor, der einerseits als Repressor fungieren, jedoch andererseits auch die Expression seiner eigenen Gene stimulieren kann; 3) das CAP, das Katabolit-Aktivator-Protein, das in der Gegenwart von zyklischem AMP die Transcription mehrerer Gene unterstützt, jedoch unter anderen Umständen auch als Repressor wirken kann; 4) der Lac-Repressor; 5) der trp-Repressor. Röntgenstrukturanalyse der Komplexe, die aus den Repressorproteinen und ihrer Ziel-DNA bestehen, zeigen, dass das Protein sich eng an die DNA-Oberfläche anpasst, indem es über Wasserstoffbrückenbindungen, elektrostatische und Van-der-Waals-Kontakte Wechselwirkungen mit den Basen und Zuckerphosphatketten eingeht. [Y. Takeda et al. Science 221 (1983) 1.020-1.026; F.A. Jurnak u.a. McPherson (Hrsg.) Biological Macromolecule and Assemblies, Bd. 2, Wiley, New York, 1985; S.C. Harrison "A Structural Taxonomy of DNA-binding domains" Nature 353 (1991) 715-719; P.S. Freemont et al. "Structural Aspects of Protein-DNA Recognition" Biochem. J. 278 (1991) 1-23; R.E. Harrington u. I. Winciov "New Concepts in Protein-DNA Recognition: Sequence-directed DNA binding and Flexibility" Prog. Nucl. Acid Res. Mol. Biol. 47 (1994) 195-270]

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