极端的戒指:PCNA在古生菌交互和适应性

文摘

蛋白质生物化学和结构分析的热点使我们获得巨大的洞察许多真核生物过程,同时提供引人入胜的适应与进化的蛋白质在生命的极端。古细菌pcna、DNA复制和修复的核心,也不例外。描述的蛋白质,和在复杂的多肽和蛋白质绑定合作伙伴,展示了监管角色的多样性和微妙的滑动夹子。同样,详细研究提供了宝贵的见解适应蛋白质相互作用和机制,对于生活在极端环境中是必要的。

1。PCNA的调节中起着重要的作用DNA复制和修复

滑动夹,包括细胞增殖核抗原(PCNA)、DNA复制过程至关重要。这些分子包围的DNA,从而形成一个平台,DNA聚合酶来实现所需的高持续合成DNA复制。此外,许多其他分子参与DNA处理,如DNA修复酶、DNA调节酶,和其他的DNA聚合酶,增殖细胞核抗原通过绑定到守恒的主题。PCNA是一个至关重要的因素在确定DNA和,因此,是中央监管,协调移交潜在诱变translesion聚合酶的酶和限制之间复制叉。

2。增殖细胞核抗原是在全球范围内的结构守恒的古细菌和真核生物之间

结构分析的滑动夹及其约束力的合作伙伴已经证明是重要的说明DNA复制和修复过程的监管。PCNA-binding伙伴通常拥有一个PCNA-interaction肽(PIP)的主题,通常位于极端N -糖基。PIP-box共识主题在真核生物和古菌被定义为Q x x x h h, h代表一个小疏水基(Ile /低浓缩铀/满足)和一个芳香疏水氨基酸(通常是板式换热器/ Trp) (1]。结构描述人类的PCNA包裹着的c端肽细胞周期检查点p21蛋白透露这些守恒的残留在扮演的角色交互,随后已被证明是典型的大部分PCNA-PIP-box交互(图1)。守恒的谷氨酰胺侧链形成多个交互与PCNA表面残留物,都直接和water-mediated [2]。一段3₁₀螺旋遵循守恒的谷氨酰胺,这部分,连同立即c端残留,将关键主题的疏水组件插入到口袋夹表面。c端残留躺在一个扩展的构象,互动与PCNA的interdomain连接器循环(IDCL)。残留在此之前谷氨酰胺经常形成一段反平行的表与PCNA的极端糖基。

这尤其引人注意整体模式PCNA-interacting蛋白质的相互作用在很大程度上是守恒的。加上一个巨大的数量的蛋白质具有PIP-boxes,因此极大的兴趣来决定究竟如何层次结构的交互出现,让时间和空间协调多个绑定合作伙伴维持基因组的完整性。

古生菌代表一个迷人的机会去探索这些交互。不仅从古生菌细胞核抗原蛋白质数据银行表示,但在家庭中也发现更大的变化是在真核生物相比,正如已经指出的其他家庭DNA-interacting蛋白(3]。比较这些变化可能是非常深刻的阐明蛋白质结构的关系。的euryarchaeal PCNA是典型的家庭,在自然见homotrimeric真核生物,尽管存在的例子euryarchaeon拥有两个不同的PCNA环(4]。相比之下,heterotrimeric pcna在crenarchaea为特征的,与每个亚基绑定特定合作伙伴(5]。最近的工作表明蛋白质的变化形成环,可以发生在crenarchaea [6]。这种多样性是一个至关重要的资源在理解增殖细胞核抗原和其他滑动夹的作用方式。

3所示。调节蛋白质界面的出现

近年来的兴趣集中在校长PIP-box交互,额外的调制识别的蛋白质接口。这种接口的存在一直是假设作为一种机制,允许额外的监管水平,第一结构描述管理界面的显示大肠杆菌波尔IV translesion聚合酶在“锁定”,活动取向的夹(7]。人类复杂的PCNA与皮瓣核酸内切酶1 (Fen1)表明之间的这种互动存在酶与PCNA [8),在2006年之后的结构硫化叶菌solfataricus增殖细胞核抗原1 + 2 (Sso)异质二聚体与Fen1在复杂9]。除了PIP-box互动,更详细地描述下面,SsoPCNA1循环41-44与第一螺旋节在Fen1(图2(一个))。残留Asp-43和Lys-44暴露PCNA1形式的循环盐桥Fen1残留Lys-17和asp - 343,从而联系Fen1的n端和PIP-box保持Fen1的取向相对于PCNA戒指。

相反的结构相同SsoPCNA 1 + 2异质二聚体在复杂的潜在诱变translesion聚合酶Dpo4显示更实质性的,大概是监管、交互PIP-box[之外10]。进一步的手指间发生的相互作用,拇指和小指域Dpo4(图2 (b)),而不是单一的额外的交互与Fen1。Dpo4不同于观察到的构象酶朊或DNA-bound形式和可能是由于两个柔性铰链,小指域的两侧。尽管滑动压板的相互作用的性质不同于那些与细菌波尔IV,结果PCNA-Dpo4构象也同样不胜任复制,因为结合位点是直接参与与PCNA表面的相互作用,有效地阻止生产与DNA相互作用。

的结构海床furiosus(Pfu) DNA聚合酶B与单体的复杂的突变形式PfuPCNA PIP-box[以外的显示了一个额外的交互11]。守恒的带负电荷的残渣(glu - 171)在一个暴露PfuPCNA循环与酪氨酸arg - 654和- 706在拇指域聚合酶(图3(一个))。因此,聚合酶似乎在待机模式之间的动态和静态构象。这种“挂钩开关”地区因此假定调节聚合酶的聚合和核酸外切酶模式之间切换,协调这些链接功能的关键。

最近的结构来解决Archaeoglobus fulgidus(Afu)核糖核酸酶H与PCNA显示两种绑定模式在三个酶,与一个分子阻碍的中心孔滑动压板和其他两个面向远离环(12)(图3 (b))。这个范围内的运动由铰链区允许立即AfuRNase H PIP-box前,包含参数- 198,似乎扮演着重要的角色在决定的模式绑定。在扩展旋转异构体,与,和一个额外的氢键之间存在和。occluding-mode分子的侧链折叠和破坏氢键,允许之间的盐桥形成和。在这个分子开关的功能是至关重要的。

4所示。尽管保护的程度,PIP-Box绑定显示隐藏的微妙之处

毫无疑问PCNA-protein复合物的分析提供了一个丰富的信息在调节二次绑定接口的作用。然而,PIP-box互动的比较也表明,微妙的变化,可以建立层次结构在不同的关键PCNA-binding伙伴。聚合酶使用层次结构已确定大肠杆菌同时,结合主题和额外的调节蛋白接口已经被证明能够影响之间的竞争为夹绑定和访问clamp-associated DNA聚合酶(13]。

比较Fen1的PIP-box-mediated交互和Dpo4 SsoPCNA表明Sso Fen1 PIP-box IDCL缺乏互动,因为图案代表了极端的终端残留糖基的蛋白质(图4)。相比之下,两个额外的糖基的残留Dpo4对酶的拇指领域扩展,尽管没有交互与IDCL观察。该地区前守恒Fen1形成谷氨酰胺拉链的反平行的表与PCNA的糖。这是顶部的极冠arg - 338联系夹表面,补偿的损失IDCL交互。

Dpo4的守恒的谷氨酰胺缺乏PIP-box图案出现在Fen1,尽管肽链构象在这个地区非常相似。先前指出大肠杆菌和人类translesion聚合酶往往显示更大的偏离规范绑定图案,水平较高的保护可能反映了要求更严格的约束力在复制的聚合酶(7,14]。

比较这两个AfuPCNA复合物也揭示了PIP-box变异前在该地区。增殖细胞核抗原具有的AfuFen1 PIP-box肽包裹着拉链地区,连接相邻的PIP-box Fen1 dna结合地区(图5)。保守脯氨酸残基(pro - 240)可以直接向外拉链区域。这个改变PCNA糖基的位置和结果Fen1增强约束力的DNA,允许PIP-box和DNA结合区域之间的通信(15]。

区域立即PIP-box(之前拉链的Fen1和核糖核酸酶H参数- 198)似乎弥补缺乏IDCL交互。由AfuRNase H参数的相互作用- 198可能是更重要的由于缺乏第二芳香残渣RNaseH PIP-box。

5。适应在极端条件下

虽然古pcna证明高度信息绑定和监管模式的描述,可以外推到真核系统,结构也强调了有趣的复杂性而言,适应经常极端环境中居住着古生菌。这些环境条件对蛋白质构成特殊的挑战,必须在函数,例如,极端高温或盐条件。通常蛋白质显示总体架构与嗜中温同行,保护的变化来补偿他们的生活方式,后面将更详细地描述。

PfuPCNA结构,第一个古细菌PCNA解决,是一个典型的例子的蛋白质适应高温(16]。酵母与人类结构显示增殖细胞核抗原有减少hyperthermophilic极地卸货残留,增加的比例收取残留,符合高等数量的离子对嗜热菌的趋势。这些适应被认为有助于蛋白质稳定性(17],PfuPCNA也不例外,有10的27离子对晶体结构中分子间的性质,增加三聚物的稳定性。循环长度的差异意味着PfuPCNA少氢键相互作用在monomer-monomer接口与嗜中温pcna相比,这可能增加补偿的离子相互作用。有趣的是,绑定到PIP-box从复制因子C肽,大亚基似乎稳定PfuPCNA三聚物通过域C端域的转变,导致更多的氢键monomer-monomer接口和重排离子对(18]。

后续结构homotrimeric热点pcna表明他们保留相同的整体架构和处置二级结构元素(图6(一))。然而,crenarchaea情况要复杂得多,heterotrimeric的最近的一项研究硫化叶菌tokodaiiPCNA增殖细胞核抗原2和3显示单元可以形成一个heterotetramer晶体内和解决方案(图6 (b))。作者假定heterotetrameric PCNA成环的灵活性将允许这种形式作为霍利迪结夹(6]。亚基组成的变化heterotrimeric pcna之前已经报道过(19]。这种灵活性可能有利于增殖细胞核抗原,允许多个替代形式的每一个适合一个特定的细胞功能。

叠加monomer-monomer接口显示一些变化的循环区域相邻分子间表。的Haloferax volcanii(Hvo) PCNA AfuPCNAs截断接口与PfuPCNA [20.]。相比之下,Thermococcus kodakarensis(Tko)异常有两个PCNA-encoding基因,这两个基因产物的结构已经解决(4]。每个基因产物形成一个单独的三聚物。两种蛋白质之间的主要区别在于其亚基接口,影响产生的环的稳定性。这些变化稳定可能有生物功能,其中一个环假设是通过横向基因转移;都被证明是能够刺激聚合酶的活动。古pcna被认为是能够自动的DNA,与真核同行和自动的,其次是PIP-box绑定中观察到的稳定影响PfuPCNA可能有利于古生菌,在极端条件下可能导致更高的DNA损伤率和DNA修复过程的要求提高效率(18,21]。

大多数的增殖细胞核抗原结构从嗜热古细菌来源。HvoPCNA,从一个数据,显示了独特的适应高盐浓度,与细胞内的盐含量h . volcanii接近饱和(20.]。尽管HvoPCNA的全球架构是非常典型的,表面电荷特征截然不同与其他古细菌和真核细胞核抗原(数字6(一)和7(一))。其他滑动压板表面酸性的特点,除了阳性孔。符合典型的嗜盐菌减少赖氨酸残留和带负电荷的残留,增加HvoPCNA几乎完全失去了这阳性孔。相反,它似乎利用阳离子减少之间的斥力影响自己的负表面和带负电荷的磷酸骨架的DNA,它环绕20.]。

变化也出现在HvoPCNA PIP-box绑定口袋,比典型的浅得多,虽然造型建议绑定守恒(图的一般模式7 (b))。这减少疏水性质HvoPCNA PIP-box图案的约束力的合作伙伴(例如,第二个苯丙氨酸是代替一个体积更小的疏水残基Hvo聚合酶PIP-box图案),表面和PCNA,符合夸张的疏水效应在高盐条件下20.]。

的heterotrimeric PCNA的crenarchaea代表一个独特的机会来研究适应绑定的口袋,因为绑定合作伙伴互动增殖细胞核抗原分子,专门的三个可选在SsoPCNA证明(5]。SsoPCNA 1和2异质二聚体的结构和Fen1明显证明的机制结合Fen1主题是杜绝在PCNA2(图8)[9]。的Fen1 PIP-box是一个很好的符合共识序列。转变IDCL位置由双脯氨酸主题PCNA2限制绑定口袋里,Fen1终端苯丙氨酸sterically阻止信息绑定。增殖细胞核抗原可以容纳一个主题作者得出结论,更让人想起的大肠杆菌,共识QL (S / D)低频(9,22),因为PolB1聚合酶,绑定PCNA2有PIP-box QLTLF的主题。此外glu - 156 PCNA1极冠PCNA2缬氨酸所取代,这并不有利于Fen1-PCNA2绑定。这些相当微妙的差异实施空间交互层次结构未见的homotrimeric细胞核抗原。硫化叶菌物种的经验增加DNA损伤率由于他们的极端的生活方式23],增加组织的DNA的加工酶方面取得PCNA环可以代表生物体的进化优势需要更高效的DNA修复机制由于较高的DNA损伤。

6。进化

古细菌的组织pcna是非常有趣的,因为它是,在许多情况下,比在更复杂的真核生物(24]。详细的系统发育分析表明,古细菌和真核生物的蛋白质之间的进化动态是非常不同的,尽管结构保护的高度(25]。同时在真核生物细胞核抗原似乎是从共同的祖先进化而来,这是发现不同分类单元内古生菌。crenarchaea情况特别复杂,这分析显示深进化分支之间的子单元。

什么好处这个复杂的组织替代heterotrimeric pcna crenarchaea提供?结构的强烈程度保护和增殖细胞核抗原在细胞代谢的重要作用是证明了高水平的选择压力的函数形式。合作伙伴的具体性质绑定在SsoPCNA扩大选择空间调控序列事件的DNA复制和修复过程,超越什么是可能的在homotrimeric细胞核抗原。研究的例子Fen1、波尔和连接酶增殖细胞核抗原1绑定,2和3,分别实施顺序动作的手性这三个酶在冈崎片段成熟9]。可能这将导致损失的灵活性在homotrimeric pcna,必须实施时间和空间管制在另一种模式下,可能更强调二次调制相互作用。它已经指出,生物等美国solfataricus可能是在高选择性压力优化DNA修复过程(24]。

7所示。结论

许多古细菌茁壮成长的和/或需要极端的生存条件,这无疑是一个关键因素与高水平的变化在PCNA亚基结构和multimeric组成。符合趋势的适应存在的观察而不是严格的规则,已知的结构模式的适应性不同。如前所述,超嗜热菌美国solfataricus采取了heterotrimeric PCNA适应方法。相比之下的嗜热的生活方式p . furiosus导致了改编的子单元接口和离子对的增加。同时增长的最佳温度答:fulgidus有点低,它仍然生长60到95°C,但其PCNA单元接口更类似于HvoPCNA,增长30至50°C (26,27]。蛋白质进而显示独特的适应在其表面电荷特性和离子绑定来弥补生物体的咸水环境的生活方式。增殖细胞核抗原三两个独立的t . kodokarensis大概都有基本功能单元中,一个可能的收购和可能的病毒基因的横向转移在起源4]。的heterotetrameric结构美国tokodaii暗示进一步灵活地组织和水平无疑会促使进一步发现(6]。

PIP-box交互的整体模式是守恒的古细菌相互作用特征,以最大的偏差,也许可以预见的是,发生在heterotrimeric细胞核抗原。自主题通常驻留在极端糖基的约束力的合作伙伴,小肽之间的相互作用被认为和PCNA IDCL,观察到一些真核复合物。变化是最大的在该地区立即PIP-box前,反映了不同的函数绑定合作伙伴。正如所预期的那样,最大的变化是在PIP-boxes之外的额外的接触点,和这些交互可能会扮演重要的角色在定义绑定合作伙伴之间的时空切换,确保维持基因组的稳定性。

这些比较为我们提供一个迷人的见解如何推而远蛋白质功能的细胞保存从噬菌体到人类。同样,他们演示如何深刻影响一个氨基酸替换。理解这些适应只能增进了解的基本生物学以及为复合物的结构解决方案提供一个重要平台,给真正的洞察关键过程的规定在真核生物基因组稳定至关重要。

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