DNA結合ドメイン DNA結合モチーフ DNA-binding domain

DNA結合ドメインとは

DNA結合ドメイン(DBD:DNA-binding domain)は、DNA結合モチーフとも呼ばれ、独立して折り畳まれたタンパク質ドメインで、二本鎖または一本鎖のDNAを認識する構造モチーフを少なくとも1つ含んでいます。DBDは、特定のDNA配列(認識配列)を認識する場合と、DNAに対して一般的な親和性を持つ場合があります。一部のDNA結合ドメインは、その折り畳み構造の中に核酸を含む場合もある。

DNA結合ドメインはどうやってDNAに結合するのか

DNAに主溝、副溝があり、タンパク質が塩基配列を読み取るのは主溝からである。

DNAらせん構造

主溝副溝

塩基とアミノ酸の結合

主溝側から塩基対を読む。実際にはどう行われているのだろうか。
実は、アミノ酸にはDNA塩基対に結合できる側鎖が存在する。DNAの塩基がわの親水性・疎水性(CH3)、水素結合供与・受容のパターンと、タンパク質側のそれが適合すると、そのタンパク質は水素結合・疎水性結合を介してDNAの特定部位の特定塩基配列を認識できることとなる。

転写因子はこのようにしてDNA二重らせん構造を開くことなく目的のDNA部位に結合できる。このためには三次元構造も適合していなければならない。

DNA結合ドメインの機能

1つまたは複数のDNA結合ドメインは、機能の異なる複数のタンパク質ドメインからなる、より大きなタンパク質の一部であることが多い。余分なドメインは、しばしばDNA結合ドメインの活性を制御している。DNA結合の機能は、構造的なものと、転写の制御に関わるものがあり、この2つの役割は重なり合っていることもある。
DNAに結合して複製される仕組み

DNAの構造に関わる機能を持つDNA結合ドメインは、DNAの複製、修復、保存、メチル化などの修飾に生物学的役割を果たしている。

遺伝子発現の制御に関わるタンパク質の多くは、DNA結合ドメインを持っている。例えば、DNAに結合して転写を制御するタンパク質は転写因子と呼ばれる。ほとんどの細胞内シグナル伝達カスケードの最終的な出力は、遺伝子制御である。

DBDは、DNAのヌクレオチドと、DNA配列特異的または非配列特異的に相互作用するが、非配列特異的な認識であっても、タンパク質とDNAの間に何らかの分子相補性が存在する。DBDによるDNA認識は、DNAの長溝、短溝、または糖リン酸のDNA骨格で起こる。それぞれのDNA認識のタイプは、タンパク質の機能に合わせて調整されます。例えば、DNA切断酵素であるDNAse Iは、ほぼランダムにDNAを切断するため、配列に依存しない方法でDNAに結合しなければなりません。それでも、DNAse Iは特定の3次元DNA構造を認識するため、ある程度特異的なDNA切断パターンが得られる。このパターンは、DNAフットプリント法と呼ばれる手法でDNA認識を研究するのに役立つ。

多くのDNA結合ドメインは、特定の遺伝子を活性化する転写因子のDBDや、制限酵素やテロメラーゼのように特定の場所でDNAを修飾する酵素のDBDのように、特定のDNA配列を認識しなければならない。DNA長溝の水素結合パターンは、DNA短溝のそれよりも縮退が少なく、配列特異的なDNA認識のためのより魅力的な部位となっている。

DNA結合タンパク質の特異性は、ゲル電気泳動、分析的超遠心分離、熱量測定、DNA変異、タンパク質構造の変異または修飾、核磁気共鳴、X線結晶学、表面プラズモン共鳴、電子常磁性共鳴、架橋、マイクロスケール熱泳動(MST)など、多くの生化学的および生物物理学的手法を用いて調べることができる。

DNA結合ドメインの種類

ヘリックスターンヘリックス

ヘリックスターンヘリックス
ヘリックス-ターン-ヘリックスは、もともとバクテリアから発見されたモチーフで、リプレッサータンパク質によく見られる約20アミノ酸の長さのモチーフである。真核生物では、ホメオドメインは2つのらせんからなり、そのうちの1つはDNAを認識する(別名:認識らせん)。発生過程を制御するタンパク質によく見られる(PROSITE HTH)。
2つあるαヘリックスのうち、第1ヘリックス(N末)は、主溝のラダーの外枠の糖-リン酸骨格と接触して特定配列を認識する。もう一つの第2ヘリックス(C末。認識ヘッリックスともいう)は主溝にはまりこみ、ヘリックスの外側に出ているアミノ酸側鎖がDNAの塩基対と水素結合を形成することで特定の塩基配列と結合する。

ジンクフィンガー zinc finger

zinc finger

ジンクフィンガードメインは主に真核生物に見られるが、バクテリアにもいくつかの例が見られる。ジンクフィンガードメインは一般的に23から28アミノ酸の長さで、亜鉛イオンを一定の間隔で配置された亜鉛配位残基(ヒスチジンまたはシステイン)に配位させることで安定化させる。最も一般的なジンクフィンガー(Cys2His2)は、単一の亜鉛イオンを配位し、認識ヘリックスと2ストランドのβシートから構成されていて、塩基配列の読み取りは認識ヘリックスで行われる。転写因子では、これらのドメインは、通常、短いリンカー配列で区切られて配列されていることが多く、DNAに結合した場合、隣接するフィンガーは3ベースペアの間隔で配置される。

ロイシン・ジッパー Leucine zipper

ロイシン・ジッパー
ベーシックロイシンジッパー(bZIP)ドメインは、主に真核生物に見られ、バクテリアでは限られた範囲にしか見られない。bZIPドメインは、7番目のアミノ酸ごとにロイシンを持つαヘリックスが存在する。このようなヘリックス2つで、ロイシンがジッパーの歯のように結合し、その先のヘリックスは乖離している構造を取る。この乖離したヘリックスの片方が認識ヘリックスとなり、主溝の塩基に結合する。遺伝子の発現を制御する。

ウィングドヘリックス

約110個のアミノ酸からなるwinged helix (WH)ドメインは、4つのらせんと2本のβシートを持つ。

ウィングドヘリックス-ターンヘリックス Winged helix-turn-helix

SCOP 46785のwinged helix-turn-helix (wHTH)ドメインは、通常85~90アミノ酸の長さである。このドメインは、3本のらせん状の束と4本のβシート(ウィング)によって形成されています。

ヘリックス-ループ-ヘリックス helix-loop-helix

bHLHの一般的構造

Protein Data Bankに掲載されているbHLHタンパク質の代表的な構造。各図では、タンパク質は二次構造の漫画で、DNAの二重らせんは棒グラフで示されている。(a) MyoDのbHLHドメインのホモダイマー(PDBコード1mdy)。(b) Pho4 bHLHドメインのホモ二量体 (1am9) (c) SREBP-1a bHLHドメインのホモ二量体 (1aoaC) (d) Max-Madヘテロ二量体(1nlw)。(e)Max-Mycヘテロ二量体(1nkp)。f)Max-Mycヘテロテトラマー(1nkp)。(d-f)では、Max HLH単量体を濃い灰色で示した。縮尺は異なる構造間で比較することはできない。

ベーシックヘリックス-ループ-ヘリックス(bHLH)タンパク質は、酵母からヒトまでの生物に見られる転写調節因子の大規模なスーパーファミリーを形成しており、性決定、神経系や筋肉の発達など、重要な発生過程で機能している。

一般に、このドメインを含む転写因子は二量体であり、それぞれがDNA結合を促進する塩基性アミノ酸残基を含む1つのヘリックスを持つ。一般的に、1つのヘリックスは小さく、ループの柔軟性のために、もう1つのヘリックスに対して折り畳んでパッキングすることで二量体化を可能にする。

Basic helix-loop-helix (bHLH)ドメインは、いくつかの転写因子に見られ、2つのαヘリックス(αヘリックス)がループでつながっているのが特徴である。一方のヘリックスは通常小さく、ループの柔軟性により、折り畳まれて別のヘリックスにパッキングされることで二量体化を可能にする。大きい方のヘリックスには、通常、DNA結合領域が含まれる。

真核生物のタンパク質の中には、おそらく転写因子として機能する配列特異的なDNA結合タンパク質であると思われるものが多数あり、40から50アミノ酸残基の保存されたドメインを共有している。このドメインは、ループを形成する可能性のある可変長のリンカー領域によって結合された2つの両親媒性のヘリックスから形成されていることが提案されている。この「ヘリックス-ループ-ヘリックス」(HLH)ドメインは、タンパク質の二量体化を媒介する。これらのタンパク質の多くは、HLHドメインに隣接して約15アミノ酸残基の余分な塩基性領域を持ち、DNAと特異的に結合する。これらは、basic helix-loop-helix protein (bHLH)と呼ばれ、クラスA(ユビキタス)とクラスB(組織特異的)の2つのグループに分類される。bHLHファミリーのメンバーは、E-boxモチーフとも呼ばれるコア配列「CANNTG」の変異に結合する。HLHドメインによって媒介されるホモまたはヘテロ二量体化は、DNA結合とは独立しているが、DNA結合活性には2つの基本領域が必要である。基本ドメインを持たないHLHタンパク質(Emc, Id)は、ヘテロ二量体を形成するものの、DNAには結合しないため、ネガティブレギュレーターとして機能する。hairy関連タンパク質(hairy, E(spl), deadpan)も、DNAと結合できるが、転写を抑制する。このサブファミリーのタンパク質は、共同リプレッサータンパク質と、その末端モチーフWRPWを介して一緒に作用する。

HMG-box

HMG-boxドメインは、複製や転写などの様々なDNA依存性プロセスに関与する高移動度グループタンパク質に見られる。HMG-boxドメインは、ループで区切られた3つのαヘリックスから構成されており、屈曲を誘発することでDNAの柔軟性を変化させる。

Wor3ドメイン

カンジダ・アルビカンスのWhite-Opaque Regulator 3 (Wor3)にちなんで名付けられたWor3ドメインは、これまでに報告されている多くのDNA結合ドメインよりも進化の過程でごく最近生じたもので、少数の真菌に限定されている。

OB-foldドメイン

OB-foldドメインは、オリゴヌクレオチドやオリゴ糖に結合することから名付けられた小さな構造モチーフである。OBフォールドドメインの長さは70から150アミノ酸の間である[10]。 OBフォールドは一本鎖のDNAに結合するので、一本鎖結合タンパク質である。

OBフォールド蛋白質は、DNA複製、DNA組換え、DNA修復、転写、翻訳、コールドショック応答、テロメア維持などに重要な役割を果たしていることが確認されています。

この記事の筆者:仲田洋美(医師)

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