Свойства репликативной ДНК-геликазы DnaB E. coli

ДНК-геликаза DnaB имеет длину 471 аминокислотный остаток (мол. масса 52, 4 кД) и кодируется геном dnaB (92-ая мин генетической карты). Количество молекул белка DnaB на клетку составляет ~20. Белок DnaB является гексамерной геликазой с полярностью 5’®3’. В репликативных вилках ДНК-геликаза DnaB придает холоферменту ДНК-полимеразы способность вести синтез ДНК с высокой физиологической скоростью (~ 700 п.н./мин). Геликаза DnaB предпочитает вилочные субстраты ДНК, у которых длина 5’-хвоста превышает 20 н., а длина 3’-хвоста – 5 н. Она связывается с 5’-однонитевой областью ДНК со стехиометрией 20±3 н. на гексамер DnaB.

Белок DnaB входит в геликазное семейство F-4, к которому относятся также геликазы gp4 фага Т7 и gp41 фага Т4. Это семейство имеет 4 консервативных геликазных мотива, включая мотивы Уокера типов А и В. Отметим, что аналогичные 4 мотива имеются у главного белка рекомбинации RecA. Молекула DnaB состоит из двух частей: N-концевого домена I с мол.м. 12 кД и С-концевой области доменов III+IV c мол.м. 33 кД (рис. 2.2). Эти части DnaB соединены друг с другом гибким линкером (домен II).

N-концевой домен I имеет преимущественно a-спиральную структуру и участвует в белок-белковых взаимодействиях. С этой областью DnaB связываются белок-инициатор репликации DnaА (см. гл. 3) и праймаза DnaG (см. 2.3). Для взаимодействия с DnaG существенны также линкерная область II и часть домена III. С-концевую часть DnaВ можно разбить на два функциональных домена (III и IV). Центральный домен III может связывать и гидролизовать АТФ в отсутствие других областей DnaВ. В домене III расположены последовательности Уокера типов А (мотив Н1) и В (мотив Н2), входящие в состав НТФазного активного центра DnaВ. В этих мотивах находятся важные для связывания и гидролиза АТФ остатки K237 и T238 в мотиве Н1 и D343 в мотиве Н2. Домен IV содержит дополнительные контактные участки для НТФ и участвует в связывании с ДНК. Для геликазной активности требуются все домены DnaВ.

1 22 138 174 345 471

N I II III IV C

H1 H1a H2 H3 H4

DnaG DnaA

Рис. 2.2. Схема организации функциональных областей ДНК-геликазы DnaB E. coli.

I – маленький N-концевой домен 12 кД, II – гибкий линкер, III+IV – большой С-концевой домен 33 кД, III – домен АТФазной активности, IV – домен взаимодействия с ДНК.

Н1, Н1а, Н2, Н3 и Н4 – консервативные домены геликаз семейства F-4. Указаны главные области взаимодействия с белком DnaА и праймазой DnaG

Только N-концевой домен DnaB изучен с высоким разрешением методами рентгеноструктурного анализа и ЯМР. 3-мерная структура всего белка пока установлена лишь методом криоэлектронной микроскопии с разрешением ~20 A. Эти данные показали, что в гексамере белка DnaB субъединицы образуют кольцо диаметром 12, 5-14 нм и высотой 5, 7 нм. Кольцо имеет центральное отверстие диаметром 3-4 нм, через которое может проийти нить онДНК. Аналогичные размеры имеют и кольца многих других гексамерных ДНК-геликаз. Существуют две взаимопревращающиеся формы кольца DnaB: “треугольник” с 3-кратной симметрией С₃ и “пропеллер” с 6-кратной симметрией С₆ (рис. 2.3). Взаимопревращение этих форм зависят от белок-белковых взаимодействий и, в частности, от способности N-концевых доменов I смежных субъединиц образовывать димеры. Домены I всех субъединиц расположены на одной и же поверхности основания кольца, а в самом кольце каждая из субъединиц взаимодействует только с 2 ближайшими соседями (рис. 2.4, А).

Структура комплексов белка DnaB с онДНК и вилочными субстратами ДНК изучена методом резонантного флуоресцентного переноса энергии. Эти данные показали, что онДНК действительно проходит через центральный канал гексамера DnaB, а не наматывается на её поверхности. Они позволили предложить модель связывания DnaB с ДНК в репликативной вилке (рис. 2.4, В). “Передняя” часть белка DnaB, обращенная в сторону расплетаемого дуплекса ДНК, образована большими С-концевыми областями всех 6 субъединиц, с которыми взаимодействует участок днДНК длиной не более 2-3 п.н. Две расплетенные нити ДНК на “переднем” краю разделяются друг от друга: 5’-нить попадает в центральный канал кольца DnaB, а 3’-нить “исключается” за пределы гексамера. Во внутреннем канале кольца DnaB

Рис. 2.3. Электронномикроскопические изображения двух гексамерных форм ДНК-геликазы DnaB E. coli: с 3-кратной (слева) и 6-кратной (справа) симметрией

Рис. 2.4. Модели гексамера геликазы DnaB E. coli.

А. Домены белка DnaB: 1- глобулярный N-концевой домен I, 2 – линкерный участок II, 3 – удлиненная С-концевая область доменов III и IV.

В. Предполагаемая структура комплекса белка DnaB с вилочным стыком в ДНК. Показано, как 3’-нить онДНК исключается из центрального канала гексамера, а 5’-нить связывается с одной из субъединиц в центральном канале.Стрелкой указано направление движения белка DnaB по ДНК

участок расположен участок 5’-нити длиной ~20 н., который, возможно, частично взаимодействует с канавкой в субъединице DnaB, находящейся в данный момент времени в активном состоянии со связанным АТФ (см. стр. 00). 5’-конец 5’-нити ДНК выходит из отверстия кольца через “заднюю” часть, образованную малыми N-концевыми доменами субъединиц DnaB, взаимодействующими с праймазой. Такая организация комплекса благоприятна для прямой передачи расплетенной 5’-нити в качестве матрицы для синтеза РНК-праймеров фрагментов Оказаки.