Un dominio de unión al ADN ( DBD ) es un dominio proteico plegado independientemente que contiene al menos un motivo estructural que reconoce ADN monocatenario o bicatenario . Un DBD puede reconocer una secuencia de ADN específica (una secuencia de reconocimiento ) o tener una afinidad general por el ADN. [1] Algunos dominios de unión al ADN también pueden incluir ácidos nucleicos en su estructura plegada.
Uno o más dominios de unión al ADN suelen formar parte de una proteína más grande que consta de otros dominios proteicos con diferentes funciones. Los dominios adicionales suelen regular la actividad del dominio de unión al ADN. La función de unión al ADN es estructural o implica la regulación de la transcripción , y las dos funciones a veces se superponen.
Los dominios de unión al ADN con funciones que involucran la estructura del ADN tienen funciones biológicas en la replicación , reparación , almacenamiento y modificación del ADN, como la metilación .
Muchas proteínas implicadas en la regulación de la expresión genética contienen dominios de unión al ADN. Por ejemplo, las proteínas que regulan la transcripción uniéndose al ADN se denominan factores de transcripción . El resultado final de la mayoría de las cascadas de señalización celular es la regulación genética.
El DBD interactúa con los nucleótidos del ADN de una manera específica o no específica de una secuencia de ADN, pero incluso el reconocimiento no específico de una secuencia implica algún tipo de complementariedad molecular entre la proteína y el ADN. El reconocimiento del ADN por parte del DBD puede ocurrir en el surco mayor o menor del ADN, o en la columna vertebral del ADN de azúcar-fosfato (consulte la estructura del ADN ). Cada tipo específico de reconocimiento de ADN se adapta a la función de la proteína. Por ejemplo, la enzima cortadora de ADN ADNasa I corta el ADN casi al azar y, por lo tanto, debe unirse al ADN de una manera no específica de secuencia. Pero, aun así, la ADNasa I reconoce una determinada estructura de ADN tridimensional , lo que produce un patrón de escisión de ADN algo específico que puede ser útil para estudiar el reconocimiento del ADN mediante una técnica llamada huella de ADN .
Muchos dominios de unión al ADN deben reconocer secuencias de ADN específicas, como los DBD de factores de transcripción que activan genes específicos, o los de enzimas que modifican el ADN en sitios específicos, como las enzimas de restricción y la telomerasa . El patrón de enlaces de hidrógeno en el surco principal del ADN está menos degenerado que el del surco menor del ADN, lo que proporciona un sitio más atractivo para el reconocimiento de secuencias específicas del ADN.
La especificidad de las proteínas de unión al ADN se puede estudiar utilizando muchas técnicas bioquímicas y biofísicas, como electroforesis en gel , ultracentrifugación analítica , calorimetría , mutación del ADN , mutación o modificación de la estructura de las proteínas , resonancia magnética nuclear , cristalografía de rayos X , resonancia de plasmón superficial , resonancia electrónica. resonancia paramagnética , entrecruzamiento y termoforesis a microescala (MST).
Una gran fracción de genes en cada genoma codifica proteínas de unión al ADN (ver Tabla). Sin embargo, sólo un número bastante pequeño de familias de proteínas se unen al ADN. Por ejemplo, más de 2.000 de las aproximadamente 20.000 proteínas humanas se "unen al ADN", incluidas unas 750 proteínas con dedos de zinc. [3]
Descubierto originalmente en bacterias, el motivo hélice-giro-hélice se encuentra comúnmente en proteínas represoras y tiene aproximadamente 20 aminoácidos de longitud. En los eucariotas, el homeodominio consta de 2 hélices, una de las cuales reconoce el ADN (también conocida como hélice de reconocimiento). Son comunes en proteínas que regulan los procesos de desarrollo ( PROSITE HTH [ enlace muerto permanente ] ).
El dominio de los dedos de zinc se encuentra principalmente en eucariotas, pero se han encontrado algunos ejemplos en bacterias. [5] El dominio de los dedos de zinc tiene generalmente entre 23 y 28 aminoácidos de longitud y se estabiliza coordinando iones de zinc con residuos de coordinación de zinc regularmente espaciados (ya sea histidinas o cisteínas). La clase más común de dedo de zinc (Cys2His2) coordina un único ion de zinc y consta de una hélice de reconocimiento y una lámina beta de dos hebras. [6] En los factores de transcripción, estos dominios se encuentran a menudo en matrices (generalmente separadas por secuencias enlazadoras cortas) y los dedos adyacentes están espaciados a intervalos de 3 pares de bases cuando se unen al ADN.
El dominio de cremallera de leucina básica ( bZIP ) se encuentra principalmente en eucariotas y, de forma limitada, en bacterias. El dominio bZIP contiene una hélice alfa con una leucina en cada séptimo aminoácido. Si dos de estas hélices se encuentran, las leucinas pueden interactuar como los dientes de una cremallera, permitiendo la dimerización de dos proteínas. Cuando se unen al ADN, los residuos de aminoácidos básicos se unen a la columna vertebral de azúcar-fosfato mientras que las hélices se asientan en los surcos principales. Regula la expresión genética.
El dominio de hélice alada (WH) , que consta de aproximadamente 110 aminoácidos, tiene cuatro hélices y una lámina beta de dos hebras.
El dominio de hélice-vuelta-hélice alada (wHTH) SCOP 46785 suele tener entre 85 y 90 aminoácidos de longitud. Está formado por un haz de 3 hélices y una lámina beta (ala) de 4 hebras.
El dominio básico hélice-bucle-hélice (bHLH) se encuentra en algunos factores de transcripción y se caracteriza por dos hélices alfa (hélices α) conectadas por un bucle. Una hélice suele ser más pequeña y, debido a la flexibilidad del bucle, permite la dimerización plegándola y empaquetándola contra otra hélice. La hélice más grande suele contener las regiones de unión al ADN.
Los dominios de la caja HMG se encuentran en proteínas del grupo de alta movilidad que participan en una variedad de procesos dependientes del ADN, como la replicación y la transcripción. También alteran la flexibilidad del ADN al inducir curvaturas. [7] [8] El dominio consta de tres hélices alfa separadas por bucles.
Los dominios Wor3, que llevan el nombre del regulador blanco opaco 3 (Wor3) en Candida albicans , surgieron más recientemente en el tiempo evolutivo que la mayoría de los dominios de unión al ADN descritos anteriormente y están restringidos a una pequeña cantidad de hongos. [9]
El pliegue OB es un pequeño motivo estructural llamado originalmente por sus propiedades de unión de oligonucleótidos / oligosacaridos . Los dominios OB-fold varían entre 70 y 150 aminoácidos de longitud. [10] Los pliegues OB se unen al ADN monocatenario y, por lo tanto, son proteínas de unión monocatenaria . [10]
Las proteínas OB-fold han sido identificadas como críticas para la replicación del ADN , la recombinación del ADN , la reparación del ADN , la transcripción , la traducción , la respuesta al choque frío y el mantenimiento de los telómeros . [11]
El dominio de inmunoglobulina ( InterPro : IPR013783 ) consta de una estructura de lámina beta con grandes bucles de conexión, que sirven para reconocer los surcos principales del ADN o los antígenos. Generalmente se encuentran en las proteínas de las inmunoglobulinas, pero también están presentes en las proteínas Stat de la vía de las citoquinas. Es probable que esto se deba a que la vía de las citocinas evolucionó hace relativamente poco tiempo y ha utilizado sistemas que ya eran funcionales, en lugar de crear los suyos propios.
El B3 DBD ( InterPro : IPR003340 , SCOP 117343 ) se encuentra exclusivamente en factores de transcripción de plantas superiores y endonucleasas de restricción EcoRII y BfiI y normalmente consta de 100-120 residuos. Incluye siete láminas beta y dos hélices alfa , que forman un pliegue proteico pseudobarril de unión al ADN .
Los efectores TAL se encuentran en patógenos vegetales bacterianos del género Xanthomonas y participan en la regulación de los genes de la planta huésped para facilitar la virulencia, proliferación y diseminación bacteriana. [12] Contienen una región central de repeticiones de residuos en tándem de 33 a 35 y cada región repetida codifica una única base de ADN en el sitio de unión de TALE. [13] [14] Dentro de la repetición, es el residuo 13 solo el que contacta directamente con la base del ADN, determinando la especificidad de la secuencia, mientras que otras posiciones hacen contacto con la columna vertebral del ADN, estabilizando la interacción de unión al ADN. [15] Cada repetición dentro de la matriz toma la forma de hélices alfa emparejadas, mientras que toda la matriz de repeticiones forma una superhélice derecha, que envuelve la doble hélice del ADN. Se ha demostrado que las matrices de repetición de efectores TAL se contraen al unirse al ADN y se ha propuesto un mecanismo de búsqueda de dos estados mediante el cual el TALE alargado comienza a contraerse alrededor del ADN comenzando con un reconocimiento exitoso de timina de una unidad de repetición única N-terminal del núcleo TAL. -matriz de repetición efectora. [16] Las proteínas relacionadas se encuentran en el patógeno vegetal bacteriano Ralstonia solanacearum , [17] el endosimbionte fúngico Burkholderia rhizoxinica [18] y dos microorganismos marinos aún no identificados. [19] El código de unión al ADN y la estructura de la matriz repetida se conservan entre estos grupos, denominados colectivamente TALE-likes .
El sistema CRISPR/Cas de Streptococcus pyogenes se puede programar para dirigir tanto la activación [20] como la represión de promotores eucarióticos naturales y artificiales mediante la simple ingeniería de ARN guía con complementariedad de emparejamiento de bases para los sitios de ADN diana. [21] Cas9 se puede utilizar como una plataforma de unión de ADN guiada por ARN personalizable. El dominio Cas9 se puede funcionalizar con dominios reguladores de interés (p. ej., activación, represión o efector epigenético) o con un dominio de endonucleasa como una herramienta versátil para la biología de la ingeniería genómica. [22] [23] y luego dirigirse a múltiples loci utilizando diferentes ARN guía.