Variability of DNA structure and protein-nucleic acid reconginition

Abstract

Revealing molecular mechanisms of sequence-specific recognition of DNA by proteins is one of the key tasks of biology. The current review presents the results of statistical analysis of the structural databases obtained by different scientific groups studying the conformational features of free and protein-bound DNA fragments that could be used for clarifying the mechanisms of protein-nucleic acid recognition. The analysis of the published data allowed us to make the following generalizations. The ability of DNA double helix to adopt alternative conformations, including the ones of sugar-phosphate backbone, is an intrinsic characteristic of certain DNA sequences. Such conformational transitions are the potential sources of formation of unique geometry of the dinucleotide steps and/or individual nucleotides and lead to alteration of base stacking and/or changes of the assessable surface area of atoms, and can be the criteria of recognition of DNA by protein as well. Changes in the physical properties that depend on the DNA structure, i. e. the polar/unpolar profile and electrostatic potential of the grooves, can also be used by protein for DNA readout.

Расшифровка молекулярных механизмов узнавания белками конкретных последовательностей ДНК – одна из основных задач современной биологии. Настоящий обзор посвящен результатам статистического анализа структурных баз данных, полученных различными исследователями при изучении конформационных особенностей фрагментов свободной ДНК и ДНК в комплексах с белками, которые могут быть полезными при выяснении механизмов белково-нуклеинового узнавания. Анализ литературных данных позволил сделать следующие обобщения. Способность двойной спирали ДНК принимать альтернативные конформации, в том числе сахарофосфатным остовом, является «внутренним» свойством, присущим определенным последовательностям ДНК. Такие конформационные перестройки могут служить потенциальными источниками проявления уникальных особенностей геометрии различных динуклеотидных шагов и/или отдельных нуклеотидов и нарушать стэкинг оснований и/или изменять площадь доступной поверхности атомов и быть критериями для узнавания участка ДНК белком. Изменения физических свойств, зависящих от структуры ДНК, таких как полярно-неполярный профиль и электростатический потенциал желобков, также могут использоваться белками для узнавания конкретного сайта ДНК.

Розшифрування молекулярних механізмів упізнавання білками конкретних послідовностей ДНК – одна із основних задач сучасної біології. Огляд присвячено результатам статистичного аналізу структурних баз даних, отриманих різними групами дослідників при вивченні конформаційних особливостей фрагментів вільної ДНК і ДНК у комплексах з білками. Такі дані використовують при дослідженні механізмів білково-нуклеїнового впізнавання. Аналіз літературних джерел дозволив зробити наступні узагальнення. Здатність подвійної спіралі ДНК набувати альтернативних конформацій, у тому числі сахарофосфатним остовом, є «внутрішньою» властивістю, яка притаманна визначеним послідовностям ДНК. Подібні конформаційні перебудови можуть слугувати потенційним джерелом прояву унікальних особливостей геометрії різних динуклеотидних фрагментів і/або окремих нуклеотидів та призводити до порушення стекінгу основ і/або змін площ доступної поверхні атомів, а також бути критеріями впізнавання білками специфічних послідовностей ДНК. Зміни фізичних властивостей, які залежать від структури ДНК, серед яких полярно-неполярний профіль і електростатичний потенціал борозенок, також можуть використовуватися білками для впізнавання конкретного сайта ДНК.