Proteína de unión al ADN
Proteínas que se unen al ADN, como factores de transcripción, polimerasas, nucleasas e histonas.
Complejo de proteína Cro con ADN
Interacción del ADN (naranja) con las histonas (azul). Los aminoácidos básicos de estas proteínas se unen a los grupos fosfato ácidos del ADN.
El factor de transcripción hélice-giro-hélice del represor lambda unido a su ADN objetivo [1]
La enzima de restricción EcoRV (verde) en un complejo con su sustrato ADN [2]

Las proteínas de unión al ADN son proteínas que tienen dominios de unión al ADN y, por lo tanto, tienen una afinidad específica o general por el ADN monocatenario o bicatenario . [3] [4] [5] Las proteínas de unión al ADN específicas de la secuencia generalmente interactúan con el surco mayor del ADN-B , porque expone más grupos funcionales que identifican un par de bases . [6] [7]

Ejemplos

Las proteínas de unión al ADN incluyen factores de transcripción que modulan el proceso de transcripción, varias polimerasas , nucleasas que escinden moléculas de ADN e histonas que participan en el empaquetamiento y transcripción de cromosomas en el núcleo celular . Las proteínas de unión al ADN pueden incorporar dominios como el dedo de zinc , la hélice-giro-hélice y la cremallera de leucina (entre muchos otros) que facilitan la unión al ácido nucleico. También hay ejemplos más inusuales, como los efectores de tipo activador de la transcripción .

Interacciones no específicas entre ADN y proteína

Las proteínas estructurales que se unen al ADN son ejemplos bien conocidos de interacciones no específicas entre ADN y proteína. Dentro de los cromosomas, el ADN se mantiene en complejos con proteínas estructurales. Estas proteínas organizan el ADN en una estructura compacta llamada cromatina . En los eucariotas , esta estructura implica la unión del ADN a un complejo de pequeñas proteínas básicas llamadas histonas . En los procariotas , intervienen múltiples tipos de proteínas. [8] [9] Las histonas forman un complejo en forma de disco llamado nucleosoma , que contiene dos vueltas completas de ADN bicatenario envuelto alrededor de su superficie. Estas interacciones no específicas se forman a través de residuos básicos en las histonas que forman enlaces iónicos con la cadena principal de azúcar-fosfato ácida del ADN y, por lo tanto, son en gran medida independientes de la secuencia de bases. [10] Las modificaciones químicas de estos residuos de aminoácidos básicos incluyen la metilación , la fosforilación y la acetilación . [11] Estos cambios químicos alteran la fuerza de la interacción entre el ADN y las histonas, haciendo que el ADN sea más o menos accesible a los factores de transcripción y cambiando la tasa de transcripción. [12] Otras proteínas de unión al ADN no específicas en la cromatina incluyen las proteínas del grupo de alta movilidad (HMG), que se unen al ADN doblado o distorsionado. [13] Los estudios biofísicos muestran que estas proteínas HMG arquitectónicas se unen, doblan y forman bucles en el ADN para realizar sus funciones biológicas. [14] [15] Estas proteínas son importantes para doblar conjuntos de nucleosomas y organizarlos en estructuras más grandes que forman los cromosomas. [16] Recientemente, también se demostró que la proteína de unión FK506 25 (FBP25) se une de forma no específica al ADN, lo que ayuda a la reparación del ADN. [17]

Proteínas que se unen específicamente al ADN monocatenario

Un grupo distinto de proteínas de unión al ADN son las proteínas de unión al ADN que se unen específicamente al ADN monocatenario. En los seres humanos, la proteína de replicación A es el miembro mejor conocido de esta familia y se utiliza en procesos en los que se separa la doble hélice, incluida la replicación, la recombinación y la reparación del ADN. [18] Estas proteínas de unión parecen estabilizar el ADN monocatenario y protegerlo de la formación de bucles de tallo o de la degradación por nucleasas .

Unión a secuencias específicas de ADN

Contactos de ADN de diferentes tipos de dominios de unión al ADN de factores de transcripción

Por el contrario, otras proteínas han evolucionado para unirse a secuencias de ADN específicas. Las más estudiadas de ellas son los diversos factores de transcripción , que son proteínas que regulan la transcripción. Cada factor de transcripción se une a un conjunto específico de secuencias de ADN y activa o inhibe la transcripción de genes que tienen estas secuencias cerca de sus promotores. Los factores de transcripción hacen esto de dos maneras. En primer lugar, pueden unirse a la ARN polimerasa responsable de la transcripción, ya sea directamente o a través de otras proteínas mediadoras; esto ubica la polimerasa en el promotor y le permite comenzar la transcripción. [19] Alternativamente, los factores de transcripción pueden unirse a enzimas que modifican las histonas en el promotor. Esto altera la accesibilidad de la plantilla de ADN a la polimerasa. [20]

Estos objetivos de ADN pueden ocurrir en todo el genoma de un organismo. Por lo tanto, los cambios en la actividad de un tipo de factor de transcripción pueden afectar a miles de genes. [21] Por lo tanto, estas proteínas son a menudo los objetivos de los procesos de transducción de señales que controlan las respuestas a los cambios ambientales o la diferenciación y el desarrollo celular . La especificidad de las interacciones de estos factores de transcripción con el ADN proviene de las proteínas que hacen múltiples contactos con los bordes de las bases del ADN, lo que les permite leer la secuencia de ADN. La mayoría de estas interacciones de bases se realizan en el surco mayor, donde las bases son más accesibles. [22] Las descripciones matemáticas de la unión proteína-ADN teniendo en cuenta la especificidad de la secuencia y la unión competitiva y cooperativa de proteínas de diferentes tipos se realizan generalmente con la ayuda de los modelos de red . [23] Se han propuesto métodos computacionales para identificar la especificidad de la secuencia de unión del ADN para hacer un buen uso de los abundantes datos de secuencia en la era posgenómica. [24] Además, se ha avanzado en la predicción basada en la estructura de la especificidad de la unión en las familias de proteínas mediante el aprendizaje profundo. [25]

Interacciones proteína-ADN

Las interacciones proteína-ADN ocurren cuando una proteína se une a una molécula de ADN , a menudo para regular la función biológica del ADN, normalmente la expresión de un gen . Entre las proteínas que se unen al ADN se encuentran los factores de transcripción que activan o reprimen la expresión génica uniéndose a motivos de ADN y las histonas que forman parte de la estructura del ADN y se unen a él de forma menos específica. También las proteínas que reparan el ADN como la uracil-ADN glicosilasa interactúan estrechamente con él.

En general, las proteínas se unen al ADN en el surco mayor ; sin embargo, hay excepciones. [26] La interacción proteína-ADN es principalmente de dos tipos: interacción específica o interacción no específica. Experimentos recientes con moléculas individuales mostraron que las proteínas que se unen al ADN experimentan una rápida reunificación para unirse en la orientación correcta para reconocer el sitio objetivo. [27]

Diseño

El diseño de proteínas que se unen al ADN y que tienen un sitio de unión específico ha sido un objetivo importante para la biotecnología. Las proteínas con dedos de cinc se han diseñado para unirse a secuencias de ADN específicas y esta es la base de las nucleasas con dedos de cinc . Recientemente se han creado nucleasas efectoras similares a activadores de transcripción (TALEN) que se basan en proteínas naturales secretadas por las bacterias Xanthomonas a través de su sistema de secreción de tipo III cuando infectan varias especies de plantas . [28]

Métodos de detección

Existen muchas técnicas in vitro e in vivo que son útiles para detectar interacciones proteína-ADN. A continuación se enumeran algunos métodos actualmente en uso: [29] El ensayo de desplazamiento de movilidad electroforética (EMSA) es una técnica cualitativa generalizada para estudiar las interacciones proteína-ADN de proteínas de unión al ADN conocidas. [30] [31] El ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas para la interacción proteína-ADN (DPI-ELISA) permite el análisis cualitativo y cuantitativo de las preferencias de unión al ADN de proteínas conocidas in vitro . [32] [33] Esta técnica permite el análisis de complejos proteicos que se unen al ADN (DPI-Recruitment-ELISA) o es adecuada para la detección automatizada de varias sondas de nucleótidos debido a su formato de placa ELISA estándar. [34] [35] El ensayo de huella de DNasa se puede utilizar para identificar los sitios específicos de unión de una proteína al ADN con una resolución de pares de bases. [36] La inmunoprecipitación de cromatina se utiliza para identificar las regiones diana del ADN in vivo de un factor de transcripción conocido. Esta técnica, cuando se combina con la secuenciación de alto rendimiento, se conoce como ChIP-Seq y cuando se combina con microarrays, se conoce como ChIP-chip . El sistema híbrido único de levadura (Y1H) se utiliza para identificar qué proteína se une a un fragmento de ADN en particular. El sistema híbrido único bacteriano (B1H) se utiliza para identificar qué proteína se une a un fragmento de ADN en particular. La determinación de la estructura mediante cristalografía de rayos X se ha utilizado para proporcionar una visión atómica muy detallada de las interacciones proteína-ADN. Además de estos métodos, otras técnicas como SELEX, PBM (microarrays de unión a proteínas), pantallas de microarrays de ADN, DamID, FAIRE o, más recientemente, DAP-seq se utilizan en el laboratorio para investigar la interacción ADN-proteína in vivo e in vitro .

Manipulando las interacciones

Las interacciones proteína-ADN pueden modularse mediante estímulos como la fuerza iónica del tampón, la concentración de macromoléculas, [27] la temperatura, el pH y el campo eléctrico. Esto puede provocar una disociación/asociación reversible del complejo proteína-ADN. [37] [38]

Véase también

Referencias

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  • Herramienta de abulón para modelar interacciones ADN-ligando.
  • Base de datos DBD de factores de transcripción predichos Utiliza un conjunto seleccionado de dominios de unión al ADN para predecir factores de transcripción en todos los genomas completamente secuenciados
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