Proteína de unión al ADN

Las proteínas de unión al ADN son proteínas que tienen dominios de unión al ADN y, por tanto, tienen una afinidad específica o general por el ADN mono o bicatenario. Las proteínas de unión al ADN específicas de secuencia generalmente interactúan con el surco principal del ADN B, porque expone más grupos funcionales que identifican un par de bases.

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 empaquetado cromosómico y la transcripción en el núcleo celular. Las proteínas de unión al ADN pueden incorporar dominios como el dedo de zinc, la hélice-vuelta-hélice y la cremallera de leucina (entre muchos otros) que facilitan la unión al ácido nucleico. También hay ejemplos más inusuales, como los efectores similares a los activadores de la transcripción.

Interacciones no específicas ADN-proteína

Las proteínas estructurales que se unen al ADN son ejemplos bien comprendidos de interacciones no específicas entre ADN y proteínas. Dentro de los cromosomas, el ADN forma 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. Las histonas forman un complejo en forma de disco llamado nucleosoma, que contiene dos vueltas completas de ADN bicatenario enrolladas alrededor de su superficie. Estas interacciones no específicas se forman a través de residuos básicos en las histonas que forman enlaces iónicos con la columna vertebral de azúcar-fosfato ácido del ADN y, por lo tanto, son en gran medida independientes de la secuencia de bases. Las modificaciones químicas de estos residuos de aminoácidos básicos incluyen metilación, fosforilación y acetilación. 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. 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. Los estudios biofísicos muestran que estas proteínas arquitectónicas HMG se unen, doblan y enrollan el ADN para realizar sus funciones biológicas. Estas proteínas son importantes para doblar conjuntos de nucleosomas y organizarlos en estructuras más grandes que forman los cromosomas. Recientemente, también se demostró que la proteína 25 de unión a FK506 (FBP25) se une de manera no específica al ADN, lo que ayuda en la reparación del ADN.

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 A de replicación es el miembro mejor comprendido de esta familia y se utiliza en procesos en los que se separa la doble hélice, incluida la replicación, recombinación y reparación del ADN. Estas proteínas de unión parecen estabilizar el ADN monocatenario y protegerlo de la formación de bucles de tallo o de ser degradado por nucleasas.

Unión a secuencias de ADN específicas

Por el contrario, otras proteínas han evolucionado para unirse a secuencias de ADN específicas. Los más estudiados 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 mediante otras proteínas mediadoras; esto localiza la polimerasa en el promotor y le permite comenzar la transcripción. Alternativamente, los factores de transcripción pueden unirse a enzimas que modifican las histonas en el promotor. Esto altera la accesibilidad del molde de ADN a la polimerasa.

Estos objetivos de ADN pueden aparecer en todo el genoma de un organismo. Por tanto, los cambios en la actividad de un tipo de factor de transcripción pueden afectar a miles de genes. Por tanto, estas proteínas son a menudo el objetivo 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 estos factores de transcripción' Las interacciones con el ADN provienen de las proteínas que hacen múltiples contactos con los bordes de las bases del ADN, lo que les permite leer la secuencia del ADN. La mayoría de estas interacciones con bases se realizan en el surco principal, donde las bases son más accesibles. Las descripciones matemáticas de la unión proteína-ADN teniendo en cuenta la especificidad de secuencia y la unión competitiva y cooperativa de proteínas de diferentes tipos se realizan habitualmente con la ayuda de modelos reticulares. Se han propuesto métodos computacionales para identificar la especificidad de la secuencia de unión al ADN para hacer un buen uso de los abundantes datos de secuencias en la era posgenómica.

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, generalmente la expresión de un gen. Entre las proteínas que se unen al ADN se encuentran factores de transcripción que activan o reprimen la expresión génica uniéndose a motivos del ADN e histonas que forman parte de la estructura del ADN y se unen a él de manera menos específica. También las proteínas que reparan el ADN, como la uracilo-ADN glicosilasa, interactúan estrechamente con él.

En general, las proteínas se unen al ADN en el surco principal; sin embargo, hay excepciones. La interacción proteína-ADN es principalmente de dos tipos: interacción específica o interacción no específica. Experimentos recientes con una sola molécula demostraron que las proteínas de unión al ADN se vuelven a unir rápidamente para unirse en la orientación correcta para reconocer el sitio objetivo.

Diseño

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

Métodos de detección

Existen muchas técnicas in vitro e in vivo que son útiles para detectar interacciones ADN-Proteína. A continuación se enumeran algunos métodos actualmente en uso: El ensayo de cambio de movilidad electroforética (EMSA) es una técnica cualitativa muy extendida para estudiar las interacciones proteína-ADN de proteínas de unión al ADN conocidas. Interacción ADN-Proteína: el ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (DPI-ELISA) permite el análisis cualitativo y cuantitativo de las preferencias de unión al ADN de proteínas conocidas in vitro. Esta técnica permite el análisis de complejos de proteínas que se unen al ADN (DPI-Recruitment-ELISA) o es adecuada para la detección automática de varias sondas de nucleótidos debido a su formato de placa ELISA estándar. El ensayo de huella de ADNasa se puede utilizar para identificar los sitios de unión específicos. de una proteína al ADN con resolución de pares de bases. La inmunoprecipitación de cromatina se utiliza para identificar las regiones objetivo del ADN in vivo de un factor de transcripción conocido. Esta técnica, cuando se combina con secuenciación de alto rendimiento, se conoce como ChIP-Seq y cuando se combina con microarrays se conoce como ChIP-chip. El sistema de un híbrido de levadura (Y1H) se utiliza para identificar qué proteína se une a un fragmento de ADN en particular. El sistema bacteriano de un solo híbrido (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 brindar una visión atómica muy detallada de las interacciones proteína-ADN. Además de estos métodos, en el laboratorio se utilizan otras técnicas como SELEX, PBM (microarrays de unión a proteínas), screening de microarrays de ADN, DamID, FAIRE o, más recientemente, DAP-seq para investigar la interacción ADN-proteína in vivo. e in vitro.

Manipular las interacciones

Las interacciones proteína-ADN se pueden modular utilizando estímulos como la fuerza iónica del tampón, el hacinamiento macromolecular, la temperatura, el pH y el campo eléctrico. Esto puede conducir a una disociación/asociación reversible del complejo proteína-ADN.