Взаимодействия белок-ДНК: статистический анализ межатомных контактов в большой и малой бороздках

Взаимодействия между белком и ДНК по существу лежат в основе всех процессов, происходящих в живой клетке. Познание принципов специфического распознавания сайтов ДНК позволит понять, как управляются эти процессы, и даст возможность сознательно вмешиваться в управление ими. В работе изучены методом Вороного – Делоне контакты белок­ДНК на атомном уровне в структу рах 3 518 комплексов из PDB (все имеющиеся на май 2017 г.), содержащих как белковые цепи, так и ДНК. Метод не содержит параметров и позволяет однозначно выявлять непосредственные контакты между атомами и характеризовать каждый контакт, помимо расстояния между атомами, площадью контакта, определяемой соответствующей гранью полиэдра Вороного. Показано, что большая часть контактов образуется между атомами белка и атомами са ха­ рофосфатного остова ДНК (72.9 %). На контакты с атомами нуклеиновых оснований, выходящих в бороздки ДНК, приходится для большой бороздки 17.0 % и для малой бороздки 10.1 % от всех атомных контактов. Суммарно на взаимодействия между атомами белка и атомами нуклеиновых оснований приходится 27.1 % всех атомных контактов. Анализ площади доступной поверхности атомов большой и малой бороздок показал, что она коррелирует с числом контактов (коэффициенты линейной корреляции 0.94 и 0.93 соответственно), однако атомы нуклеиновых оснований, образующие водородные связи, контактируют чаще, чем этого можно было ожидать из статистических соображений. Показано, что конформационно­стабильные пептиды достаточно часто встречаются в областях связывания с ДНК. Анализ остатков в предопределенной конформации в 3 518 комплексах белок­ДНК выявил 159 аминокислотных остатков в предопределенной конформации β­изгиба типа I, 15 остатков в конформации β­изгиба типа I’ , 6 остатков в конформации β­изгиба типа II. Остатков в конформации β­изгиба типа II’ найдено не было. Анализ контактов показал, что такие остатки практически не образуют контактов с ДНК. Контакты с атомами нуклеиновых оснований найдены только в двух гомологичных структурах 3qea и 3qe9, где атомы треонина образуют контакты с атомами нуклеиновых оснований АТ­пары.

1. Anashkina A.A., Kuznetsov E.N., Batyanovskii A.V., Gnuchev N.V., Tumanyan V.G., Esipova N.G. Classification of amino acids based on comparative analysis of contacts in DNA-protein complexes and specific DNA-protein interactions. Biophysics. 2013;58(6): 766-770.

2. Anashkina A.A., Kuznetsov E.N., Esipova N.G., Tumanyan V.G. Comprehensive statistical analysis of residues interaction specificity at protein – protein interfaces. Proteins: Struct. Funct. Bioinf. 2007; 67(4):1060-1077. DOI 10.1002/prot.21363.

3. Anashkina A.A., Tumanyan V.G., Kuznetsov E.N., Galkin A.V., Esipova N.G. Relative occurrence of amino acid-nucleotide contacts assessed by Voronoi–Delaunay tessellation of proteinDNA interfaces. Biophysics. 2008;53(3):199-201. DOI 10.1134/S0006350908030032.

4. Batyanovskii A.V., Esipova N.G., Shnoll S.E. Mutual disposition of short conformationally stanch oligopeptides in the 3D structure of globular proteins. Biophysics. 2009;54(6):748-752. DOI 10.1134/S0006350909060153.

5. Batyanovskii A.V., Vlasov P.K. Short protein segments with prevalent conformation. Biophysics. 2008;53(4):264-267. DOI 10.1134/S0006350908040040.

6. Benos P.V., Lapedes A.S., Stormo G.D. Is there a code for protein-DNA recognition? Probab(ilistical)ly… BioEssays. 2002;24(5):466-475. DOI 10.1002/bies.10073.

7. Choo Y., Klug A. Physical basis of a protein-DNA recognition code. Curr. Opin. Struct. Biol. 1997;7(1):117-125. DOI 10.1016/S0959440X(97)80015-2.

8. Corona R.I., Guo J.-T. Statistical analysis of structural determinants for protein-DNA-binding specificity. Proteins. 2016;84(8):1147-1161. DOI 10.1002/prot.25061.

9. Filippova G.N., Qi C.-F., Ulmer J.E., Moore J.M., Ward M.D., Hu Y.J., Loukinov D.I., Pugacheva E.M., Klenova E.M., Grundy P.E., Feinberg A.P., Cleton-Jansen A.M., Moerland E.W., Cornelisse C.J., Suzuki H., Komiya A., Lindblom A., Dorion-Bonnet F., Neiman P.E., Morse H.C., Collins S.J., Lobanenkov V.V. Tumor-associated zinc finger mutations in the CTCF transcription factor selectively alter its DNA-binding specificity. Cancer Res. 2002;62(1):48-52.

10. Luscombe N.M., Laskowski R.A., Thornton J.M. Amino acid–base interactions: a three-dimensional analysis of protein – DNA interactions at an atomic level. Nucleic Acids Res. 2001;29(13):2860-2874. DOI 10.1093/nar/29.13.2860.

11. Medvedev N.N. The algorithm for three-dimensional Voronoi polyhedra. J. Comput. Physics. 1986;67(1):223-229. DOI 10.1016/00219991(86)90123-3.

12. Pabo C.O., Nekludova L. Geometric analysis and comparison of protein-DNA interfaces: Why is there no simple code for recognition? J. Mol. Biol. 2000;301(3):597-624. DOI 10.1006/jmbi.2000.3918.

13. Privalov P.L. The state and role of water in biological systems. Biofizika = Biophysics. 1958;3(6):738-743. (in Russian)

14. Torshin I.Yu., Uroshlev L.A., Esipova N.G., Tumanyan V.G. Descriptive statistics of disallowed regions and various protein secondary structures in the context of studying twisted β-hairpins. Biophysics. 2016;61(1):6-12. DOI 10.1134/S0006350916010243.

15. Uroshlev L.A., Torshin I.Yu., Batyanovskii A.V., Esipova N.G., Tumanyan V.G. Disallowed conformations of a polypeptide chain as exemplified by the β-turn of the β-hairpin in the α-spectrin SH3 domain. Biophysics. 2015;60(1):1-9. DOI 10.1134/S0006350915010236.

16. Wolfe S.A., Nekludova L., Pabo C.O. DNA recognition by Cys2His2 zinc finger proteins. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 2000;29: 183-212. DOI 10.1146/annurev.biophys.29.1.183.