Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Стабилизация структуры λ-CRO с заменой Val55→Cys и специфичность его взаимодействия с ДНК

ВАК РФ 03.00.03, Молекулярная биология

Автореферат диссертации по теме "Стабилизация структуры λ-CRO с заменой Val55→Cys и специфичность его взаимодействия с ДНК"

На правах рукописи

¿г

Гительзон Георгий Иосифович

СТАБИЛИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ A.-CRO С ЗАМЕНОЙ Val 55-»Cvs И СПЕЦИФИЧНОСТЬ ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ДНК

03.00.03 - Молекулярная биология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Институте белка РАН и в

Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН

Научный руководитель:

доктор физико-м атематичсских наук, профессор, член-корреспондент РАН Привалов Петр Леонидович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор, академик РАН Богданов Алексей Алексеевич

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Есипова Наталия Георгиевна

Ведущая организация:

Институт молекулярной генетики РАН

Зашита состоится " 14 " декабря 2006 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д. 501.001.76 при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М. В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского, лабораторный корпус "А", ауд. 536.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор биологических наук П.О.Калинина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Выяснение механизмов специфичности ДНК-белкового взаимодействия всегда рассматривалось как фундаментальная проблема молекулярной биологии. В последние годы, в связи с развитием методов генной и белковой инженерии, она получает и определяющее практическое значение. Выяснение структурно-термодинамических характеристик узнавания ДНК белками позволит подойти к управлению процессами переключения генов и к созданию новых терапевтических подходов.

Регуляция экспрессии генов в значительной мере осуществляется посредством избирательного взаимодействия специальных белков - факторов транскрипции — и регуляторных' участков ДНК. Белковые факторы ' транскрипции способны формировать как неспецифические комплексы с двухцепочечными участками ДНК произвольной последовательности, так и специфические комплексы с уникальными последовательностями ДНК в составе определенных регуляторных генов, например, операторов (Ptashne, 2005, TIBS, 30, 275; Raviscioni et al„ 2005, JMB, 350, 402). Полученные за последние годы структурные данные демонстрируют, что процесс формирования специфического ДНК-белкового комплекса предполагает значительные сопряженные конформационные изменения обоих его компонентов. Таким образом, моделирование и управление специфичностью ДНК-белковых взаимодействий требует понимания деталей структурной и термодинамической организации обоих их участников. Именно поэтому исследование термодинамических свойств относительно просто организованного ДНК-связывающего белка, каким является Сго-репрессор бактериофага X, и эффекта точечной аминокислотной замены, изменяющей его стабильность и ДНК-связывающую активность, представляется действительно важным и актуальным.

Объекты, цель и задачи исследования.

Удобными объектами для детального анализа взаимного конформационного соответствия рсгуляторного белка и ДНК являются Сго-репрессор бактериофага X (Сго) и 17-членный участок ДНК - оператор, с которым Сго образует специфический комплекс (Ptashnc, 2004, "A Genetic Switch, 3d ed. Phage Lambda Revisited"). Согласно структурным данным (Рис. 1), Сго взаимодействует с операторной ДНК в виде симметричного димера, субъединицы которого ковалентно не связаны (Albright & Matthews, 1998, JMB, 280, 137). Ось симметрии второго порядка проходит перпендикулярно ß-слою, образуемому в зоне контакта субъединиц димера, в области расположения остатков Val55 обеих полипептидных цепей.

Основными ДПК-узпающими элементами в структуре димера Сго являются антипараллелыю направленные а-снирали, взаимодействующие с соседними большими желобками двойной спирали ДНК. При этом все шесть природных операторных участков ДНК бактериофага X (/.-операторы) представляют собой 17-членные несовершенные палиндромы, отличающиеся сродством как к репрессору Сго, так и к функционально альтернативному ему репрессору CI или ^.-репрессору (Рис. 2). В ^.-операторах можно выделить консервативное "левое" гглечо и вариабельное "правое". Из природных операторов наибольшее сродство к Сго имеет оператор правого оперона фага X - 0R3, максимальное же сродство к Сго демонстрирует искусственно сконструированный так называемый "консенсусный оператор" — почти полностью симметричный дуплекс, составленный из двух консервативных "левых" плеч оператора.

Согласно рентгеноструктурным данным, при образовании специфического комплекса Сго с "консенсусным оператором" наблюдаются существенные конформационные изменения как в узнающем белке, так и в ДНК-мишени (Рис. IB). Прежде всего, обнаруживается уменьшение расстояния между узнающими спиралями с 34,2Ä в свободном белке до 29,3 А в комплексе, а также взаимный разворот спиралей приблизительно на 53° относительно их строго антипараллельного расположения в свободном белке. Такая подвижка является не простым смещением жестких субъединиц, но связана со значительными изменениями торсионных углов в аминокислотных остатках, образующих общий ß-слой димера. Операторный участок ДНК также претерпевает существенное изменение относительно стандартной В-

формы: происходит охватывающий белок изгиб величиной примерно в 40°. При этом малый желобок ДНК в центре комплекса резко сужается и углубляется. Характер взаимодействия субъединиц димера Сго с "левой" и "правой" половинами асимметричного оператора ОкЗ существенно различается. Методом 'Н-ЯМР-спектроскопии было, в частности, показано, что связывание Сго и "левого" плеча оператора вызывает существенные изменения структуры и белка, и ДНК, характерные для образования специфических контактов, в то время как для "правого" полуоператора таких изменений не наблюдается (Ва1е]а (Н а!., 1991, ЛЗС, 266, 22115).

в

rihf>, /г

^JfWl j и

Рис. 1. Взаимодействие Сго-репрессора фага X с неспецифическим (А) и специфическим (В) участками ДНК по данным рентгсноструктурного анализа и молекулярного моделирования (но Albright et al., 1998, Protein Science, 7, 1485).

8 7654321012 34 56 7 8

1 2

3

4

5

6

7

8 9

ÎO 11 12

2-,

514

TATCACCGCCAGTGGTA TAC CACT GGCG G T GATA. CAACACCGCCAGAGATA TAT CT CT G G С О GT GTTG TATCACCGCAGATGGTT А АО CATC TG С G GT CS AT A TAT CA С С GÇ.AAGGGATA TATCCCTTGCGGTGÄTA ТАА CACCGTGCGTGTTG CAACACGCACGGTGTTA ТА СCTCTGöСGGTGATA TATCACCGÇCAGAGGTA

Л! KvV-r-TxiEAAÄA^

raNtOin'inNr-Or-Nn'iUJIllMl)

Рис. 2. Схема (Logo) операторных

последовательностей фага X, составленная по методу Шнайдера /Thomas D. Schneider/ (Papp et al., 1993, JMB, 233 ,219). Представлены последовательности всех шести природных Х-операторов, четные последовательности соответствуют комплементарным цепям нечетных:

I-2 - Ol1, 3-4 - Оl.2, 5-6 - 0,3, 7-8 - 0R3, 9-10 - Or2,

II-12- OrI.

Интересна возможность использования в исследовании связывания репрессора с различными операторными последовательностями мутантной формы Сго - сшитого S-S связью димера (Рис. 3), образующегося спонтанно при замене остатка VaI55 на Cys (далее - CroVC). Такая замена не приводит к существенным конформационным изменениям в структуре белка, но сказывается на его стабильности и характере связывания с ДНК (Hubbard et al., 1990, Biochemistry, 29, 9241; Giteison et al., 1991, FEBS Lett., 289, 201; Shirakawa et al., 1991, Protein Eng., 4, 545; Baleja & Sykes, 1994, Biochem. Cell Biol. 72, 95). Появление S-S-связи в области общего ß-слоя димера ограничивает взаимную подвижность субъединиц, что, как было отмечено выше, необходимо для образования специфического комплекса.

Рис. 3. Структура CroV55C (по Fabian et al., 1999, PNAS, 96, 13153), изображенная на основе данных о структуре димера Сго дикого типа в растворе, полученных ЯМР-спектроскопией (Matsuo et al., 1995, JMB, 254, 668). Остатки Val55 заменены на Cys и обозначены сферами. Ракурс на рисунке В получен поворотом структуры на 90°.

Задачей настоящей работы было, в частности, выяснение особенностей взаимодействия Сго и CroVC с симметричными и асимметричными аналогами операторных ДНК. Для определения равновесных констант связывания с олигонуклсотидными дуплексами использовали метод конкуренции за места связывания на дуплексах белков и антибиотика дистамицина А (Dst А), взаимодействующего с узким желобком ДНК (Gursky et al., 1992, JBSD, 10, 15).

Использование высокостабильной ковалентно связанной димерной формы Сго-рспрсссора - с тождественными белку дикого типа участками непосредственного узнавания ДНК — позволяет применить метод тотального анализа предпочтительно связывающихся с репрессором последовательностей одно- и двухцепочечной ДНК методом генерированных ДНК-чипов (Krylov et al., 2001, NAR, 29, 2654).

Диссертационная работа посвящена исследованию структурных и термодинамических свойств мутантной формы Сго-репрессора бактериофага X и выяснению механизма влияния точечной аминокислотной замены Val55—>Cys на стабильность и функциональную активность белка Сго.

Научная новизна работы.

В результате исследований, проведенных с помощью комплекса методов, было показано, что замыкание межсубъединичной S-S-связи в димере мутаптной формы Сго с заменой Val55—>Cys (CroVC) приводит к проявлению двухстадийного характера тепловой денатурации этого белка, причем температура середины второго депатурациошюго перехода превышает 100°С при стандартных (нейтральный pH, низкая ионная сила) условиях в растворе.

Методом конкурентного титрования обнаружено преимущественное связывание CroVC с аналогом "консенсусного Х-оператора", имеющего делецию центральной пары оснований.

С применением генерированных ДНК-чипов выявлены последовательности двух- и одноцепочечной ДНК, предпочтительные для связывания с CroVC. Впервые показано явное предпочтительное связывание белком - фактором транскрипции — определенных одноцепочечных последовательностей ДНК.

Публикации по теме диссертации и апробация работы.

Основные материалы диссертации опубликованы в четырех научных изданиях. Результаты работы были доложены на: VII Симпозиуме по конформационным изменениям биополимеров в растворах, Тбилиси, 1990; Всесоюзном симпозиуме "Химия белков", Тбилиси, 1990; USSR-Germany Symposium "Protein - nucleic acid interaction: structural and pharmacological aspects", С.-Петербург, 1991; National workshop with invited foreign lecturers "Magnetic Resonance and Dynamics of Proteins", Казань, 1992; семинарах в Center for Molecular Biology and Gene Therapy, Loma Linda University, California, CHIA, 1995; Karolinska Institutet, Stockholm, Швеция, 1998 и 1999; Institut Gustave-Roussy, Villejuif, Франция, 2001; научных семинарах лаборатории физики белка Института белка РАН в 2003 и 2005 гг.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из следующих разделов: "Введение" посвящено постановке задачи исследования, обоснованию актуальности темы, оценке научной новизны работы; "Обзор литературы" посвящен детальному рассмотрению строения и физиологической роли Сго-репрессора бактериофага >., а также функции структурно и

s

функционально родственных ему белков про- и эукариот. Б разделе "Материалы и методы" особое внимание уделено применению метода сканирующей микрокалориметрии в изучении ДНК-связывающих белков и использованию метода генерированных ДНК-микрочипов для анализа ДНК-белковых взаимодействий. В разделе "Результаты и обсуждение" приводится детальное описание результатов проделанных экспериментов и их анализ. Завершают диссертацию разделы "Выводы" и "Список литературы".

Основные результаты работы.

I. Влияние замены Val55—>Cys на стабильность и характер тепловой денатурации Сго-репрессора.

В предварительных экспериментах были отработаны условия получения высокоочищенных препаратов Сго и CroVC в количествах, достаточных для исследований этих белков физическими методами (~100 мг). Оба препарата были получены в результате экспрессии генноинженерных конструкций, содержащих ген его под контролем управляемого /ас-промотора. Экспрессия генов его и croVC осуществлялась в соответствующих рекомбинантных штаммах Escherichia -coli, содержащих ген репрессора лактозного оперона lacP.

Электрофоретическими и хроматографическими методами для белка Сго с заменой Val55—>Cys показано спонтанное замыкание межсубъединичной S-S-связи в димере. Размыкание связи оказалось возможным после восстановления SII-групп обработкой дитиотрейтолом в высокой концентрации и их блокировки реакцией с йодацетамидом, данное производное обозначается далее как CroVC-S*.

При исследовании CroVC методом сканирующей микрокалориметрии было обнаружено неожиданное для столь небольшого (66 аминокислотных остатков в одной полипептидной цепи) белка явное проявление двухстадийного характера тепловой денатурации. Оба денатурационных перехода были полностью обратимы, причем температура середины второго перехода превышала 100°С при стандартных (нейтральный рН, низкая ионная сила) условиях в растворе (Рис. 4).

<а

в* и

3.0

2.0

3.0

2.0

20 60

Температура, °С

Ю0

Рис. 4. Температурная зависимость удельной теплоемкости для Сго (а) и СгоУС (Ь) при рН 7.0; концентрация белка -1,5 мг/мл в 20 мМ К-фосфатном буфере. Калориметрические кривые получены на сканирующем микрокалориметре ДАСМ-4 при скорости прогрева 1 К/мин. Удельная теплоемкость рассчитана с использованием значения парциального удельного объема белка - 0,730 мл/г и молекулярной массы димера Сго - 14,7 кДа.

Двухстадийный характер тепловой денатурации СгоУС был обнаружен также при исследовании этого процесса методом спектроскопии кругового дихроизма в ближней ультрафиолетовой области, >.=278 нм (Рис. 5А). Отсутствие явно выраженного второго перехода при измерении молярной эллиптичности в дальней УФ-области, /.=222 нм (Рис. 5В) указывает на отсутствие в этих условиях существенных конформационных изменений в а-спиральных участках молекулы Сго (Рис. 6., исследование выполнено совместно с С. Ю. Вениаминовым, Институт белка АН СССР).

я п

-80

и

т,к

2.-100 и.

о -120

Г4

ЙГ -140

Рис. 5. Температурная зависимость молярной эллиптичности для Сго (2), СгоУС (1) и СгоУС-Б* (3) в ближней (А) и дальней (В) УФ-областях, 20 мМ К-ацетат, рН 4,5.

Использование Н-ЯМР-спектроскопии позволило соотнести второй денатурационный переход с плавлением С-концевой р-структурной области белка (Рис. 6). Данное соотнесение было непосредственно подтверждено исследованием фрагментов СгоУС: обработанного ВгСЫ и расщепленного по остаткам Ме112 обеих полипептидных цепей - ВгСМ-фрагмент - и обработанного трипсином и расщепленного по остаткам Ьуи21 - Трип-фрагмент - (исследование выполнено Ю. В. Грико и В. В. Роговым, Институт белка АН СССР). Полученные таким образом и выделенные С-концевые фрагменты СгоУС имели единственный переход с параметрами, характерными для высокотемпературного перехода полноразмерного СгоУС (впко а а!., 1992, ВюсЬегш^гу, 31, 12701).

Рис. 6. 'Н-ЯМР спектры Сго (Л) и CroVC (В), снятые при различных температурах. Концентрация белков - 1-1,5 мМ, рН 4,7. Соотнесение сигналов выполнено согласно Веберу и соавт. (Weber et at., 1985, Biochemistry, 24, 4553).

Пунктирными линиями обозначено смещение некоторых резонансов при изменении

7", ТГя Г"; г; Т"" г; ГТ^ г; Г^ температуры.

Дальнейшее исследование обнаруженного феномена (Filimonov and Rogov, 1996, JMB, 255, 767; Fabian et al., 1999, Biochemistry, 38, 5633) позволило построить

универсальную модель денатурации Сго и его мутантных форм, предусматривающую образование равновесного промежуточного состояния путем ассоциации частично денатурированных полипептидных цепей в тетрамерный комплекс. Эта модель может быть использована для описания элементарных процессов образования амилоидоподобных структур из частично денатурированных белков.

II. Влияние замены Val55->Cys на характер связывания Сго-репрессора с ДНК.

Титрованием бактериофагами X, содержащими последовательность правого промотора (Pr-область) дикого типа — Charon-30 и мутантную Рг-область - X-vir, показано снижение гипериммунности к заражению фагами клеток Escherichia, coli, экспрессирующих ген croVC в сравнении с геном его дикого типа (исследование выполнено совместно с проф. Н. И. Матвиенко, Институт белка АН СССР).

Методом конкурентного титрования с ДНС-мечепным ДНК-связывающим

антибиотиком дистамицином А были измерены константы ассоциации Сго и CroVC с

синтетическими операторными участками ДНК. Обнаружено преимущественное

связывание CroVC с 16-тичленным аналогом "консенсусного ^-оператора", имеющим

делецию центральной пары оснований - Oq (Рис. 7; Табл. 1).

TATCACCGCAAGGGATA ОкЗ ATAGTGGCGTTCCCTAT

TATCACCGCCGGTGATA Os ATAGTGGCGGCCACTAT

TATCACCGCGGTGATA Os-jd

ATAGTGGC GCCACTAT

TATCACCGCGCGGTGATA 0S-ins ATAGTGGCGCGCCACTAT

TATCCCTTGAAGGGATA Od ATAGGGAACTTCCCTAT

TATCCCTTAAGGGATA 0D4ie|

ATAGGGAA TTCCCTAT

TATCCCTTGCAAGGGATA Ou-ms ATAGGGAACGTTCCCTAT

Рис. 7. Последовательности симметричных и асимметричных аналогов ^.-операторов, • исследованных на связывание с Сго и СпзУС. Выделены центральные О ('-нары, добавляемая в случае инсерции С-С-пара, места делений обозначены символом " 1 ".

ТАБЛИЦА 1

Константы связывания (Кв) Сго и CroVC с олнгонуклеотидными дуплексами

Олигонуклеотидпые дуплексы KB дуплекс+Сго +DstA KB дул лекс+Сго V5 5 C+Dst A

OR3 (1.2±0.3)-106 (1.2±0.6>105

Os (2.5±0.6)»106 не определялась

C>S-dcl (4.4±0.4>103 (1.1±0.4>106

Os-ins (6.8±0.4)*105 не определялась

oD (5.2±0.4)«105 (7.6±0.5>10s

0[)-ins (6.0±0.3>105 (2.1±0.3)#10s

С помощью прямых измерений методом изотермической титрациониой калориметрии энтальпий ассоциации Сго и CroVC с синтетическими фрагментами ДНК, содержащими варианты ^.-операторов, было подтверждено предпочтительное связывание CroVC с 24-членным дуплексом, содержащим последовательность "консенсусного" ^.-оператора с делецией центральной G-C-пары (Рис. 8., исследование выполнено совместно с группой проф. Тёрлефа Хэрда /Torleif Hard, Karolinska Institutet and Kungliga Tekniska hogskolan, Stockholm, Sweden/).

Рис. 8. Титрационная изотермическая калориметрия СгоУС с олигонуклеотидными дуплексами, содержащими полноразмерный "коисепсусный" ^.-оператор (А), или тот же оператор с делецией центральной О-С-пары (В). Измерения проводились при 37°С и рН 7,0 в буфере, содержащем 10мМ К-фосфата, ЮОмМ КС1, при избытке белка.

.32 -2S-24 -

1SOO 2000 2500

.Зв

ЮОО 1500 ZOOO 2500

Последовательности двухцепочечных ДНК, предпочтительные для связывания с СгоУС (Рис. 9, 10, 11), были выявлены с использованием метода генерированных ДНК-чипов. В ходе этого исследования на примере СгоУС был отработан алгоритм, позволяющий реконструировать последовательности участков преимущественного связывания белка с ДНК большей длины, чем фрагменты, иммобилизованные на чипе.

Температура, °С

Рис. 9. Кривые диссоциации для свободных дуплексов (-■-) и дуплексов, стабилизированных CroVC (-А-). Измерения проводились на ДНК-чипах, изготовленных иммобилизацией 46=4096 гексамерных олигонуклеотидов в микрокаплях геля. Гексамеры находились во внутренней части октамеров со структурой: 5'-gel-NH-{N}NlN2N3N4N5N6{N}-3', где NH-аминогруппа, связующая олигонуклеотид с гелем через Сб-спэйсер, N1-N6 - вариабельная гексамерная часть олигонуклеотидов, {N} означает А, С, G или Т, присутствующие в равных количествах для любых определенных гексамеров. Меченные флуоресцентным красителем Texas Red олигонуклеотиды состава: 5'-NN(A/G)NN(A/G)NN-3', где A/G означает - либо А, либо G, - гибридизовались при 0"С в течение сугок, а затем отмывались при постепенном повышении температуры в присутствии и отсутствии белка. Измерение интенсивности флуоресценции проводилось с помощью флуоресцентного микроскопа.

1« 24

40 48 56 «Э

вив • • •«вв X . Чи •5« Ч" ая«а ИЯ а!" ми-в К!' *• вв . .в а

5 у . а. % • • . ч • ¿■ваа ■И' ■ВВВ

■ав • * вв вал; ЙВВВ <8 & в.'.- вввв ■■в 51! вв.* «Я, ' квва Ву| ■ -я • Л..'

ыи : и сВЬ« ев^в «чвв в вввв "1*3 вв

' ■■ яавв вав »«МВ н а 2аЯ ш 4.ВВ ■ щ ив .1» в*

ВвВ •> ааа гв- м1аа Ш ■ а вина !8*1

ЗЗЭЗЗи^ ии ^ .зон ■(«хииио ои^-ньч-^^-ХьиоииеС'Ои-'Ь

Рис. 10. Палитра связывания СгоУС с гексамерами двухценочечных ДНК, полученная по 898 разностным кривым диссоциации в присутствии и отсутствии белка. Соответствующие последовательности определяются по пересечению указанных по осям триплетов и относятся к иммобилизованным на микрочипе цепям. Цветовая шкала соответствует величине разностного сигнала.

..□ ■ в..

•> и* ** П 1Л «в 1А ™ ЦА са«л 1Л «».

II II II II %% м £1

а а

гжеамерны* последовательности

о 16 -

16 —

г

5 тэ -I-

3

л

1а ЗЕ §8

Реконструированные гептамерны« лвслвдовагельности

Реконструкция полуеператоров и* двух предпочтительных гмемиров

1А1СЯСВ (1> 1ЯСКИС1 (2|

Рис. И. Гексамерные дуплексы, проявляющие наибольшее связывание с СтоУС, а также реконструированные гептамериые дуплексы с наибольшим связыванием. Выделены мотивы, совпадающие с последовательностями Х-полуопсраторов.

С использованием гексамсрного ДНК-микрочипа было впервые показано явное предпочтительное связывание белком - фактором транскрипции - определенных одноцепочечных участков ДНК (Рис. 12, 13; Табл. 2).

ДвТвСТ -я—АвСАСТ стввся —ТвССАС

20 30 40 Температура, °С

Рис. 12. Кривые диссоциации СгоУС и некоторых одноцепочечных участков ДНК.

',<«««ииииииоиииоо««*ДЛЛОООООООСОСОООООНПК .КЬННМ 'I * ■

................... .

Рис. 13.

Связывание СгоУС с одноцепочечной ДНК на гексамсрном генерированном микрочипе. Меченный флуоресцентным красителем СгоУС гибридизовался с микрочипом, а затем отмывался при постепенном повышении температуры. Цветовая шкала соответствует величине разностного сигнала.

ТАБЛИЦА 2

Список 20-П1 последовательностей с наибольшими разностными параметрами связывания СгоУС и различных олноцепочечных тетра-, лента- и гексамерных олигонуклеотидов по данным гибридизации на генерированных микрочипах

гесамеры IЛйСГ пентамеры ■Личсг тетрамеры Лльсг

ТввАТС 9,22 СбАТС 2,60 БСбС 1,33

тттвтс 6,45 Аггбс 2,37 (ЗАТС 1,26

лвввсс 6,10 гггсс 2,06 в(ЗСС 1,26

(ЗАССТС 6,10 Тв(ЗАТ 2,04 бБАТ 1,26

вЮСАТ 4,52 ттвте 1,90 тете 1,24

АСТвТС 3,90 вАССТ 1,76 бССС 1,21

АвСАТС 3,14 АСТОТ 1,73 ттвт 1,16

«звевте 3,12 тттвт 1,72 А&ЗС 1,16

АССС<ЗС 2,92 свссс 1,72 вСАТ 1,15

АСССБС 2,62 АСвТС 1,56 ввте 1,15

6АТАТС 2,54 Т6САТ 1,53 АСвТ 1,14

вАвСТС 2,50 вТвСА 1,48 бвСб 1,13

ТААААТ 2,48 геггт 1,46 вТАТ 1,13

АбТАТС 2,48 АТАТС 1,46 ТАТС . 1,13

бвеСБС 2,34 ААААТ 1,45 тттв 1,12

сввстс 2,34 СТАТС 1,41 СОТС 1,11

АСС АТС 2,24 Аггсг 1,40 свсв 1,11

СССАТС 2,20 ААСЗбС 1,39 ЮСА 1,11

ААСвТС 2,17 веете 1,39 гггб 1,10

АААААТ 2,16 АССбС 1,35 гАсв 1,10

Из приведенных в таблице 2 данных видно, что предпочтение того или иного участка связывания зависит от его последовательности, а не просто нуклеотидного состава. Важно также отметить, что существенная избирательность для связывания СгоУС с одноцепочечной ДНК проявляется лишь для гексамеров, что указывает на специфичность к определенной пространственной структуре участка ДНК. Какой-либо корреляции между предпочтительными участками связывания для двухцепочечной и одноцепочечной ДНК не обнаруживается.

Данный феномен может иметь значение для выяснения молекулярных механизмов ДНК-белкового узнавания, а его дальнейшее исследование -способствовать пониманию функционирования факторов транскрипции при различных физиологических состояниях клетки. Учет возможного избирательного

связывания с определенными одноцепочечными участками ДНК может оказаться важным при - конструировании факторов транскрипции с измененной специфичностью.

В итоге, на основании полученных результатов выдвинуто предположение о существенной роли мсжсубъединичной подвижности в реализации сайт-специфичного узнавания димером Сго псевдопалиндромных последовательностей операторных участков ДНК. В результате работы создана удобная модельная система для рационального планирования экспериментов по направленному изменению специфичности ДНК-белкового узнавания.

Выводы.

1. Показано спонтанное замыкание межсубъединичной Б-З-связи в димере мутантной формы Сго с заменой Уа155—»Сув (СгоУС). При исследовании Сго УС методами сканирующей микрокалориметрии, спектроскопии кругового дихроизма и 'Н-ЯМР обнаружено проявление двухстадийного характера тепловой денатурации этого мутангного белка, причем температура середины второго денатурационного перехода превышает 100°С при нормальных условиях в растворе.

2. Методом конкурентного титрования измерены константы ассоциации белка Сго и его мутантной формы СгоУС с синтетическими операторными участками ДНК. Обнаружено преимущественное связывание СгоУС с аналогом "консенсусного X-оператора" с делецией центральной пары оснований. Предпочтительное связывание СгоУС с данным аналогом операторного участка ДНК подтверждено прямыми измерениями методом изотермической титрационной калориметрии.

3. С использованием метода генерированных ДНК-чипов выявлены предпочтительные для связывания с СгоУС последовательности двух- и одноцепочечной ДНК. Впервые показано явное предпочтительное связывание белком - фактором транскрипции - определенных одноцепочечных участков ДНК.

Автор выражает глубокую признательность 11етру Леонидовичу Привалову и коллегам по лаборатории термодинамики белка Института белка за всестороннюю помощь и поддержку. Эта работа не была бы выполнена без участия сотрудников Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта, которым; автор выражает свою благодарность.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации:

1. Грико Ю.В., Рогов В.В. и Гительзон Г.И. Влияние аминокислотной замены Val55-Cys на структурную организацию и стабильность Сго-репрессора фага X. Всесоюзный симпозиум "Химия белков", Тбилиси, 1990, с. 149.

2. Gitelson СЛ., Griko Yu.V., Kurochkin A.V., Rogov V.V., Kutyshenko V.P., Kirpichnikov M.P. and Privalov P.L. Two-stage thermal unfolding of [Cys55]-substituted Cro repressor of bacteriophage X. KtBS betters, 1991, v.289(2), p. 201204.

3. Chechetkin V.R., Prokopenko D.V., Zascdateleva O.A., Gitelson G.I., Lomakin E.S., Livshits M.A., Malinina L., Turygin A.Y., Krylov A.S. and Mirzabekov A.D. Analysis of binding specificity of disulfide bonded dimeric /.-Cro V55C protein with generic hexamer oligonucleotide microchip. J. Biomol. Structure and Dynamics, 2003, v.21(3), p. 425-434.

4. Суровая A.H., Гительзон Г.И. и Гурский Г.В. Взаимодействие ренрсссора Х-Cro и его мутантного ковалентного S-S-димсра >.-CroV55C с симметричными и асимметричными ДНК. Биофизика, 2006, т. 51(3), с. 567-573.

Отпечатано в копицентре « СТ ПРИНТ » Москва, Ленинские горы, МГУ, 1 Гуманитарный корпус. www.stprint.ru e-mail: zakaz@stprint.ru тел.: 939-33-38 Тираж 70 экз. Подписано в печать 10.11.2006 г.

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Гительзон, Георгий Иосифович

1. Введение.

2. Обзор литературы.

2.1. Роль Сго-репрессора в жизненном цикле бактериофага X.

2.2. Организация пространственной структуры Сго*.

2.3. Молекулярные основы взаимодействия Сго и ДНК.

3. Материалы и методы.

3.1. Используемые материалы и реактивы.

3.2. Выделение и очистка препаративных количеств Сго и CroVC**.

3.3. Модификация SH-групп CroVC.

3.4. Физические методы исследования структурной и термодинамической организации Сго и CroVC.

3.5. Методы определения параметров связывания Сго и

CroVC с синтетическими аналогами операторных ДНК.

4. Результаты и обсуждение.

4.1. Оптимизация условий выделения Сго и CroVC. Сго - Сго-репрессор бактериофага X дикого типа. CroVC - мутантная форма Сго-репрессора бактериофага X с заменой Val55->Cys.

4.2. Сравнительные термодинамические и структурные исследования Сго и CroVC.

4.3. Изучение влияния замены Val55-»Cys на ДНК-связывающую активность Сго.

5. Выводы.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Стабилизация структуры λ-CRO с заменой Val55→Cys и специфичность его взаимодействия с ДНК"

Выяснение механизмов специфичности ДНК-белкового взаимодействия всегда рассматривалось как фундаментальная проблема молекулярной биологии. В последние годы, в связи с развитием методов генной и белковой инженерии, она получает и определяющее практическое значение. Выяснение структурных и термодинамических характеристик узнавания ДНК белками позволит подойти к управлению процессами переключения генов и к созданию новых терапевтических подходов. Регуляция экспрессии генов в значительной мере осуществляется посредством избирательного взаимодействия специальных белков факторов транскрипции и регуляторных участков ДНК. Белковые факторы транскрипции способны формировать как неспецифические комплексы с двухцепочечными участками ДНК произвольной последовательности, так и специфические комплексы с уникальными последовательностями ДНК в составе определенных регуляторных генов, например, операторов (Ptashne, 2005; Raviscioni et al, 2005). Нолученные за последние годы структурные данные показали, что процесс формирования специфического ДНК-белкового комплекса предполагает значительные сопряженные конформационные изменения обоих его компонентов. Таким образом, моделирование и управление специфичностью ДНК-белковых взаимодействий требует понимания деталей структурной и термодинамической организации обоих их участников. Именно поэтому исследование термодинамических свойств относительно просто организованного ДНК-связывающего белка, каким является Сго-репрессор бактериофага X, его и эффекта точечной и ДНК- аминокислотной замены, изменяющей стабильность связывающую активность, нредставляется актуальным и методически удобным. Настоящая диссертационная работа носвящена определению структурных и термодинамических свойств мутантной формы Сгорепрессора бактериофага А, и выяснению механизма влияния точечной аминокислотной замены Val55->Cys на стабильность и функциональную активность белка Сго.Обзор литературы 1. Роль Сго-репрессора в жизненном цикле бактериофага X. Проблема поиска и связывания определенных последовательностей ДНК белками факторами транскрипции относится к фундаментальным проблемам молекулярной биологии и исследуется с использованием различных теоретических и экспериментальных подходов. Система взаимодействия Сго-репрессор операторная ДНК бактериофага А, относится к наиболее детально изученным примерам так называемого сайт-специфичного Д1Ж-белкового узнавания (см., в частности, монографию Марка Нташне: Mark Ptashne, "А Genetic Switch. 3"* ed. Phage Lambda Revisited", CSHL Press, NY, 2004 Ptashne, 2004). Cro-penpeccop один из ключевых регуляторов транскрипции, определяющих альтернативные литический и лизогенный пути жизнедеятельности бактериофага X. Классическая схема действия Сго. Согласно классической схеме регуляции генной активности фага X, выбор пути развития фага, инфицировавшего клетку-хозяина Escherichia соИ, определяется, в первую очередь, соотношением уровней экспрессии двух генов: гена с1, кодирующего белок репрессор фага X (CIили А-репрессор) и его, кодирующего функционального антагониста репрессора белок Сго. Ген, регулирующий экспрессию гена репрессора с1, был обнаружен в серии экспериментов с мутантами фага X, проведенных в конце 60-х начале 70-х годов XX века. Кэлеф, Нойбауэр и Оппенгейм (Calef and Neubauer, 1968; Neubauer and Calef, 1970; Oppenheim et al, 1970) сделали вывод, что в неиммунной лизогенной по фагу X бактериальной клетке содержится какой-то фактор, который наряду с другими функциями может инактивировать репрессор или предотвращать экспрессию гена с1. Напротив, первоначально Эйзен и соавторы предположили, что неиммунная лизогенная клетка не содержит регулятора репрессора, а транскрипция гена с1 непосредственно подавляется направленной вправо транскрипцией (Eisen et al., 1968). Аналогичное предположение высказал и Шибальский (Szybalski, 1969), основываясь на данных Тэйлора и соавторов (Taylor et al., 1967) о том, что при индукции лизогенных клеток транскрипция гена с1 уменьшается. Еще в ряде работ были также получены указания на существование антирепрессора. Наконец, Харви Эйзен и соавторы прямо показали с помощью тестов на комплементацию фагов (Eisen et al., 1970), что при нагревании клеток, лизогенных по термоиндуцибельным мутантным фагам типа Я,с1857>ГО, в этих клетках образуется специфический регулятор репрессора, который предотвращает установление иммунитета к фагу X, действуя как /гат-регулятор. В аналогичных условиях у лямбдоидного фага 434 также происходит экспрессия сходного гена, подавляющего иммунитет профага 434. Эйзен и соавторы выделили мутантов фага X, дефектных по регулятору репрессора, и назвали соответствующий ген его. Название гена и соответствующего белка происходит от сочетания "control of repressor and other things" (Ptashne et al, 1982). В ранних работах этот же ген иногда обозначался как tof от сочетания "turning off A,-exonuclease synthesis" по терминологии Жани Неро (Рего, 1970).в состоянии лизогении из всех фаговых генов А, экснрессируется только ген с1, экспрессия других генов подавлена, а хромосома фага интегрирована в хромосому клетки-хозяина и передается дочерним клеткам как ее составная часть. Литический путь развития принято связывать с началом экспрессии гена его, приводящей к резкому падению уровня экспрессии гена с1, активации так называемых поздних фаговых генов, усиленному синтезу ДНК фага и белков, формирующих его частицы. Результатом литического пути является лизис бактериальной клетки и освобождение новых инфекционных фаговых частиц. С 70-х годов прошлого века принято считать, что естественная функция Сго-репрессора в регуляции жизненного цикла фага X состоит в специфичном связывании определенных участков фаговой ДНК операторов в области промоторов: PR (ОТ "Promoter for Rightward transcription"), PRM (ОТ "Promoter for Repressor Maintenance") и PL (ОТ "Promoter for Leftward transcription") Прочно связываясь с этими участками, Cro конкурентно ингибирует связывание с ними репрессора CI (Ptashne 2004). Гены с/ и его соседствуют в хромосоме фага X, причем транскрипция их происходит в противоположных направлениях. Промоторы обоих генов PRM И PR расположены в пределах одной операторной области. OR (рис. 1) и основные события, приводящие к переключению путей развития фага X, происходят именно в области OR.Рис. 1. Взаимное расположение операторных участков OL и OR в хромосоме фага X. Нанравления транскрипции контролируемых ими генов указаны стрелками (по Ptashne, 2004). Область OR содержит три участка связывания, или собственно оператора ORI, OR2 И OR3. Операторы представляют собой близкие по составу псевдопалиндромные участки ДНК длиной в 17 пар нуклеотидов (рис. 2) (Maniatis et al., 1975). Вследствие некоторого отличия в своих последовательностях они имеют разные константы связывания с Сго и репрессором CI. Для Сго константы связывания повышаются в ряду: ORI OR2 OR3, а для репрессора CI в ряду: OR3 OR2 ORI (Johnson et al., 1979). Различие в константах связывания с операторами приводит к тому, что репрессор CI практически не занимает участок OR3, который перекрывается с участком связывания Р1Ж-полимеразы, транскрибирующей репрессор CI, связанный с ген с1 PRM- Кроме того, транскрипцию время как OR2, стимулирует 1980), собственного гена (Meyer and Ptashne, в то транскрипция гена его, начинающаяся с PR ПОЛНОСТЬЮ подавлена. С 1 О«2 -35 0«1 -10 flMMMiffigfli -10 RM -35 его mRNA Рис. 2. Последовательность нуклеотидов в правой операторной области фага А,. Отмечены области промоторов PR И PRM И направления транскрипции генов el и его (по Ptashne, 2004). При наступлении неблагоприятных для клетки-хозяина условий запускается ряд процессов, в результате которых концентрация репрессора CI уменьшается, вследствие чего операторы OR2 И ORI постепенно освобождается и PR становится доступным для РНК- полимеразы. Запускается транскрипция гена его, и в клетке появляется кодируемый им продукт. Белок Сго, селективно связываясь с OR3, подавляет экспрессию с/. В результате, свободной остается лишь область промотора PR И начинается транскрипция генов, ответственных за литический путь развития фага (рис. 3). По мере продвижения по литическому пути потребность в действии так называемых ранних белков, в том числе и самого Сго отпадает, и их транскрипция подавляется связыванием Сго с правыми опрераторами OR2, ORI И операторными участками в области OL. 10 cl off cl cl Рис. 3. Схематическое представление переключения развития фага на литический путь, а также последовательность связывания Сго- репрессором трех OR операторов (по Ptashne, 2004). Данная модель переключения генной активности и стала получила наименование молекулярного описания и конструирования Способность триггера прототипной для систем регуляции фага молекулярных установившейся транскрипции. лизогении поддерживаться много поколений и являться даже более устойчивым признаком, чем собственно устойчивость генома бактериофага к мутациям относится к яркому примеру явления эпигении (Ptashne, 2005). 11 Новые данные о вероятной функции Сго. Продолжительное время считалось, что описанная выше схема установления и выхода их лизогенного состояния и, в частности, роль Сго-репрессора в этом процессе эффективного генного переключения окончательно установлена. В таком виде она представлена во всех наиболее популярных руководствах по молекулярной генетике. Однако в последние годы выяснилось, что эта схема нуждается в существенной доработке, а действительная роль Сго может быть несколько иной. Было установлено, что важную роль в установлении лизогенного состояния и выхода из него играет возможность олигомеризации молекул репрессора CI, связанных одновременно и в области PR и в области PL, отстоящей примерно на 2400 пар нуклеотидов. Образование в этом случае петлевой структуры ДНК было подтверждено в ряде работ (Dodd et al, 2001; Dodd et al., 2005; Dodd et al, 2004). Такой многокомпонентный комплекс оказывает существенное влияние на функционирование всей системы генных переключений фага X (Dodd et al., 2005). Одновременно было показано, что собственно переключение фага из лизогенного в литическое состояние не требует обязательной активности гена его (Svenningsen et al., 2005). В изящных экспериментах Ацуми и Липла был сконструирован гибридный фаг, включающий регуляторные элементы лактозного оперона (Atsumi and Little, 2004; Atsumi and Little, 2006). В этом фаге ген его был замещен геном lael, кодирующим Lac-penpeccop. Кроме того, в области промоторов PR И PL были добавлены последовательности /flfc-опреаторов при сохранении обычных ?1-операторв. В таком случае активность обоих литический промоторов может подавляться как Х-, так и Lac-penpeccopoM. Таким образом, в лизогенном состоянии А-- 12 репрессор может действовать, репрессируя литические гены саморегулируя свой собственный ген. При переходе на литический путь Lac-penpeccop, замещающий Сго, связывается с Lac-операторами и выключает транскрипцию литических генов. Однако, даже учитывая высокую аффинность Хи Lac-репрессоров к соответствующим быть операторам, при использовании такой конструкции нельзя полностью уверенным, что Lac-penpeccop вполне имитирует действие Сго in vivo. Поэтому авторы сконструировали целую библиотеку фагов, содержащих варианты Lac-операторов с различной аффинностью к Lacи А,-репрессорам и обнаружили вариант гибридного фага, который проявлял характерные для обычного фага X переходы из литического в лизогенное состояние и обратно. В этом фаге Lac-penpeccop мог замещать Сго в качестве репрессора ранних генов литического развития, но не в качестве непосредственного репрессора гена с1, поскольку область оператора OR3, контролирующего промотор Ргш, оставалась неизменной. Такой результат подтверждает, что подавление промотора PRM не является абсолютно необходимым условием перехода к литическому развитию. Выяснилось, однако, что интенсивность УФоблучения, вызывающая литическую индукцию для такого фага должна быть значительно большей, чем для фага дикого типа. Поэтому можно сказать, что хотя связывание Сго с OR3 не является абсолютно необходимым для перехода фага на литический путь развития, но делает этот процесс более эффективным (Ptashne, 2006). Эти результаты показывают, что даже в детально исследованной системе генных переключений фага X возможно обнаружить новые пути регуляции, основанные на тонкой избирательности ДПК-белкового узнавания. 13

Заключение Диссертация по теме "Молекулярная биология", Гительзон, Георгий Иосифович

1. Показано спонтанное замыкание межсубъединичной S-S-связи в

димере мутантной формы Сго с заменой Val55->Cys (CroVC). При

исследовании CroVC методами сканирующей микрокалориметрии,

спектроскопии кругового дихроизма и ^Н-ЯМР обнаружено проявление

двухстадийного характера тепловой денатурации этого мутантного

белка, причем температура середины второго денатурационного

2. Методом конкурентного титрования измерены константы

ассоциации белка Сго и его мутантной формы CroVC с синтетическими

операторными участками ДНК. Обнаружено преимущественное

связывание CroVC с аналогом "консенсусного А,-оператора" с делецией

центральной пары оснований. Предпочтительное связывание CroVC с

данным аналогом операторного участка ДНК подтверждено прямыми

измерениями методом изотермической титрационной калориметрии. 3. С использованием метода генерированных ДНК-чипов выявлены

предпочтительные для связывания с CroVC последовательности двух- и

одноцепочечной ДНК. Впервые показано явное предпочтительное

связывание белком - фактором транскрипции - определенных

одноцепочечных участков ДНК.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Гительзон, Георгий Иосифович, Пущино

1. Миллер, Дж. (1976). Эксперименты в молекулярной генетике, "Мир", Москва.

2. Пташне, М. (1988) Переключение генов. Регуляция генной активности и фаг X. "Мир", Москва.

3. Рогов, В.В. и Грико, Ю.В. (1993). Калориметрическое исследование влияния аминокислотных замен 16Gln-Leu и 26Tyr-Asp на структурную организацию и стабильность Сго-репрессора фага X. Молекулярная биология, 27, 798-804.

4. Фонтана, А. (1989). Фрагментация нолинептидов химическими методами. В кн.: "Практическая химия белка". Москва, "Мир", с. 82134 5. Фаг лямбда (1975). "Мир", Москва.

5. Albright, R. А., and Matthews, В. W. (1998а). Crystal structure of lambdaCro bound to a consensus operator at 3.0 A resolution. J Mol Biol 280,137151.

6. Albright, R. A., and Matthews, B. W. (1998b). How Cro and lambdarepressor distinguish between operators: the structural basis underlying a genetic switch. Proc Natl Acad Sci U S A 95, 3431-3436.

7. Albright, R. A., Mossing, M. C and Matthews, B. W. (1998). Crystal structure of an engineered Cro monomer bound nonspecifically to DNA: possible implications for nonspecific binding by the wild-type protein. Protein Sci 7,1485-1494. 92

8. Anderson, W. F., Ohlendorf, D. H., Takeda, Y., and Matthews, B. W. (1981). Structure of the его repressor from baeteriophage lambda and its interaetion with DNA. Nature 290, 754-758.

9. Amdt, K. Т., Boschelli, F., Cook, J., Takeda, Y., Teeza, E., and Lu, P. (1983). lambda Phage его repressor interaetion with DNA. J Biol Chem 258, 4177-4183.

10. Atsumi, S., and Little, J. W. (2004). Regulatory eireuit design and evolution using phage lambda. Genes Dev 18,2086-2094.

11. Atsumi, S., and Little, J. W. (2006). Role of the lytie repressor in prophage induetion of phage lambda as analyzed by a module-replaeement approaeh. Proe Natl Aead Sci U S A 103, 4558-4563.

12. Baleja, J. D., Anderson, W. F., and Sykes, B. D. (1991). Different interactions of Cro repressor dimer with the left and right halves of 0R3 operator DNA. J Biol Chem 2<55,22115-22124.

13. Baleja, J. D., and Sykes, B. D. (1994). A nuclear magnetic resonance study of the DNA-binding affinity of Cro repressor protein stabilized by a disulfide bond. Biochem Cell Biol 72, 95-108.

14. Berg, O. G., and von Hippel, P. H. (1987). Selection of DNA binding sites by regulatory proteins. Statistical-mechanical theory and application to operators and promoters. J Mol Biol 193, 723-750. 93

15. Berg, 0 G., and von Hippel, P. H. (1988b). Selection of DNA binding sites by regulatory proteins. II. The binding specificity of cyclic AMP receptor protein to recognition sites. J Mol Biol 200, 709-723.

16. Berg, 0 G., Winter, R. В., and von Hippel, P. H. (1981). Diffusion-driven mechanisms of protein translocation on nucleic acids.

17. Models and theory. Biochemistry 20,6929-6948.

18. Bolotina, I. A., Kurochkin, A. V., and Kirpichnikov, M. P. (1983). Studies of the structure of bacteriophage lambda его protein in solution. Analysis of the circular dichroism data. FEBS Lett 155,291-294.

19. Brennan, R. G., and Matthews, B. W. (1989a). The helix-tum-helix DNA binding motif J Biol Chem 26, 1903-1906.

20. Brennan, R. G., and Matthews, B. W. (1989b). Structural basis of DNAprotein recognition. Trends Biochem Sci 14,286-290.

21. Brennan, R. G., Roderick, S. L., Takeda, Y., and Matthews, B. W. (1990). Protein-DNA conformational changes in the crystal structure of a lambda Cro-operatorcomplex.ProcNatlAcadSciUSA57,8165-8169.

22. Brennan, R. G., Takeda, Y., ICim, J., Anderson, W. F., and Matthews, B. W. (1986). Crystallization of a complex of его repressor with a 17 base-pair operator.JMolBioi;55,115-118. i

23. Brent, R., and Ptashne, M. (1981). Mechanism of action of the lexA gene productProcNatlAcadSciUS A 75,4204-4208. 94

24. Chechetkin, V. R., Prokopenko, D. V., Zasedateleva, 0 A., Gitelson, G. L, Lomakin, E. S., Livshits, M. A., Malinina, L., Turygin, A. Y., Krylov, A. S., and Mirzabekov, A. D. (2003). Analysis of binding specificity of disulfide bonded dimeric lambda-Cro V55C protein with generic hexamer oligonucleotide microchip. J Biomol Struct Dyn 21,425-433.

25. Darling, P. J., Holt, J. M., and Ackers, G. K. (2000a). Coupled energetics of lambda его repressor self-assembly and site-specific DNA operator binding I: analysis of его dimerization from nanomolar to micromolar concentrations. Biochemistry 39,11500-11507.

26. Darling, P. J., Holt, J. M., and Ackers, G. K. (2000b). Coupled energetics of lambda его repressor self-assembly and site-specific DNA operator binding II: cooperative interactions of его dimers. J Mol Biol 302, 625-638.

27. Dodd, I. В., Perkins, A. J., Tsemitsidis, D., and Egan, J. B. (2001). Octamerization of lambda CI repressor is needed for effective repression of P(RM) and efficient switching from lysogeny. Genes Dev 15,3013-3022.

28. Dodd, I. В., Shearwin, K. E., and Egan, J. B. (2005). Revisited gene regulation in bacteriophage lambda. Curr Opin Genet Dev 15,145-152.

29. Dodd, I. В., Shearwin, K. E., Perkins, A. J., Burr, Т., Hochschild, A., and f EgahjJ. B. (2004). Cooperativity in long-range geiie regulatibh by the lambda CI repressor. Genes Dev 18,344-354. 95

30. Eisen, H., Brachet, P., Pereira da Silva, L., and Jacob, F. (1970). Regulation of repressor expression in lambda. Proc Natl Acad Sci U S A 66, 855-862.

31. Eisen, H., Pereira da Silva, L., and Jacob, F. (1968). The regulation and mechanism of DNA synthesis in bacteriophage lambda. Cold Spring Harb Symp Quant Biol 33,755-764.

32. Eisenbeis, S. J., Nasoff, M. S., Noble, S. A., Bracco, L. P., Dodds, D. R., and Caruthers, M. H. (1985). Altered Cro repressors from engineered mutagenesis of a synthetic cro gene. Proc Natl Acad Sci U S A 82,10841088. 37. EUman, G. L. (1959). Tissue sulfhydryl groups. Arch Biochem Biophys 82, 70-77.

33. Erie, D. A., Yang, G., Schultz, H. C and Bustamante, C. (1994). DNA bending by Cro protein in specific and nonspecific complexes: implications for protein site recognition and specificity. Science 266,1562-1566.

34. Fabian, H., Falber, K., Gast, K., Reinstadler, D., Rogov, V. V., Naumaim, D., Zamyatkin, D. F., and Filimonov, V. V. (1999a). Secondary structure and oligomerization behavior of equilibrium unfolding intermediates of the lambda cro repressor. Biochemistry 38, 5633-5642.

35. Fabian, H., Mantsch, H. H., and Schultz, C. P. (1999b). Two-dimensional IR correlation spectroscopy: sequential events in the unfolding process of the lambda cro-V55C repressor protein. Proc Natl Acad Sci U S A 96,1315313158. 96

36. Folkmanis, A., Takeda, Y., Simuth, J., Gussin, G., and Echols, H, (1976). Purification and properties of a DNA-binding protein with characteristics expected for the Cro protein of bacteriophage lambda, a repressor essential for lytic growth. Proc Natl Acad Sci U S A 73,2249-2253.

37. Freemont, P. S., Lane, A. N., and Sanderson, M. R. (1991). Structural aspects of protein-DNA recognition. Biochem 278 (Pt 1), 1-23.

38. Gitelson, G. L, Griko Yu, V., Kurochkin, A. V., Rogov, V. V., Kutyshenko, V. P., Kirpichnikov, M. P., and Privalov, P. L. (1991). Two-stage thermal unfolding of [Cys55]-substituted Cro repressor of bacteriophage lambda. FEBS Lett 25P, 201-204.

39. Griko, Y. V., Rogov, V. V., and Privalov, P. L. (1992). Domains in lambda Cro repressor. A calorimetric study. Biochemistry 31,12701-12705.

40. Gromiha, M. M., Munteanu, M. G., Simon, L, and Pongor, S. (1997). The role of DNA bending in Cro protein-DNA interactions. Biophys Chem 69, 153-160.

41. Gursky, G. V., Surovaya, A. N., Kurochkin, A. V., Chernov, B. K., Volkov, S. K., and Kiфichnikov, M. P. (1992). Interaction of lambda cro repressor with synthetic operator 0R3 studied by competition binding with minor groove binders. J Biomol Struct Dyn 10,15-33. 97

42. Hall, B. M., Lefevre, K. R., and Cordes, M. H. (2005). Sequence correlations between Cro recognition helices and cognate 0(R) consensus half-sites suggest conserved rules of protein-DNA recognition. J Mol Biol 550,667-681.

43. Harrison, S. C. (1991). A structural taxonomy of DNA-binding domains. Nature 555, 715-719.

44. Harrison, S. C, and Aggarwal, A. K. (1990). DNA recognition by proteins with the helix-tum-helix motif Annu Rev Biochem 59,933-969.

45. Hsiang, M. W., Cole, R. D., Takeda, Y., and Echols, H. (1977). Amino acid sequence of Cro regulatory protein of bacteriophage lambda. Nature 270, 275-277.

46. Hubbard, A. J., Bracco, L. P., Eisenbeis, S. J., Gayle, R. В., Beaton, G., and Caruthers, M. H. (1990). Role of the Cro repressor carboxy-terminal domain and flexible dimer linkage in operator and nonspecific DNA binding. Biochemistry 2P, 9241-9249.

47. Iwahashi, H., Akutsu, H., Kobayashi, Y., Kyogoku, Y;, Ono, Т., Koga, H., and Horiuchi, T. (1982). Structure of the lambda tof repressor protein in solution. Heat stability and its relation to binding ability to DNA. J Biochem (Tokyo) P7,1213-1221.

48. Jaenicke, L. (1974). A rapid micromethod for the determination of nitrogen and phosphate in biological material. Anal Biochem 61, 623-627. 98

49. Jana, R., Hazbun, T. R, Mollah, A. K., and Mossing, M. С (1997). A folded monomeric intermediate in the formation of lambda Cro dimer-DNA complexes. J Mol Biol 275,402-416.

50. Jia, H., Satumba, W. J., Bidwell, G. L., 3rd, and Mossing, M. С (2005). Slow assembly and disassembly of lambda Cro repressor dimers. J Mol Biol 350, 919-929.

51. Johnson, A., Meyer, B. J., and Ptashne, M. (1978). Mechanism of action of the cro protein of bacteriophage lambda. Proc Natl Acad Sci U S A 75, 1783-1787.

52. Johnson, A. D., Meyer, B. J., and Ptashne, M. (1979). Interactions between DNA-bound repressors govern regulation by the lambda phage repressor. Proc Natl Acad Sci U S A 76, 5061-5065.

53. Kim, J. G., Takeda, Y., Matthews, B. W., and Anderson, W. F. (1987). Kinetic studies on Cro repressor-operator DNA interaction. J Mol Biol 196, 149-158.

54. Kirpichnikov, M. P., Kurochkin, A. V., and Skryabin,k. G. (1982). Studies of the structure of bacteriophage lambda cro protein in solution. Analysis of the aromatic region of the lH NMR spectrum. FEBS Lett 150,407-410. 99

55. Kyogoku, Y., Kojima, C, Lee, S. J., Tochio, H., Suzuki, N., Matsuo, H., and Shirakawa, M. (1995). Induced structural changes in protein-DNA complexes. Methods Enzymol 261,524-541.

56. Lee, S. J., Shirakawa, M., Akutsu, H., Kyogoku, Y., Shiraishi, M., Kitano, K., Shin, M., Ohtsuka, E., and Ikehara, M. (1987). Base sequence-specific interactions of operator DNA fragments with the lambda-cro repressor coupled with changes in their conformations. Embo J 5,1129-1135. 66. LeFevre, K. R., and Cordes, M. H. (2003). Retroevolution of lambda Cro toward a stable monomer. Proc Natl Acad Sci U S A100,2345-2350.

57. Leighton, P., and Lu, P. (1987). Lambda cro repressor complex with 0R3 DNA: 15NNMR observations. Biochemistry 25, 7262-7271.

58. Lyubchenko, Y., Shlyakhtenko, L., Chernov, В., and Harrington, R. E. (1991). DNA bending induced by Cro protein binding as demonstrated by gel electrophoresis. Proc Natl Acad Sci U S A 88, 5331-5334.

59. Maniatis, Т., Ptashne, M. Backman, K., Kield, D.,F.lashman,S., Jeffrey, A., and Maurer, R. (1975). Recognition sequences of repressor and polymerase M n the operators of bacteriophage lambda. Cell 5,109-113. 100

60. Matsuo, H., Shirakawa, M., Ohkubo, Т., Yamazaki, Т., and Kyogoku, Y. (1991). Assignments of 1H-15N magnetic resonances and identification of secondary structure elements of the lambda-cro repressor. J Biomol NMR 191-204.

61. Matthew, J. В., and Ohlendorf, D. H. (1985). Electrostatic deformation of DNA by a DNA-binding protein. J Biol Chem 260, 5860-5862. 73. McKay, D. В., and Steitz, T. A. (1981). Structure of catabolite gene activator protein at 2.9 A resolution suggests binding to left-handed BDNA. Nature 2P0, 744-749.

62. Meyer, B. J., and Ptashne, M. (1980). Gene regulation at the right operator (OR) of bacteriophage lambda. III. lambda repressor directly activates gene transcription. J Mol Biol 139,195-205.

63. Mondragon, A., Subbiah, S., Almo, S. C, Drottar, M., and Harrison, S. С (1989a). Structure of the amino-terminal domain of phage 434 repressor at 2.0 A resolution. J Mol Biol 205,189-200.

64. Mondragon, A., Wolberger, C, and Harrison, S. C. (1989b). Structure of phage 434 Cro protein at 2.35 A resolution. J Mol Biol 205, 179-188.

65. Mossing, M. C, and Sauer, R. T. (1990). Stable, monomeric variants of lambda Cro obtained by insertion of a designed beta-iiaiфin sequence. Science 250,1712-1715. 101

66. Newlove, Т., Atkinson, K. R., Van Dom, L. 0., and Cordes, M. H. (2006). A trade between similar but nonequivalent intrasubunit and intersubunit contacts in Cro dimer evolution. Biochemistry 45, 6379-6391.

67. Ohlendorf, D, H., Anderson, W. F., Fisher, R. G., Takeda, Y,, and Matthews, B. W. (1982). The molecular basis of DNA-protein recognition inferred from the structure of cro repressor. Nature 298, 718-723,

68. Ohlendorf, D, H,, Anderson, W, F., Lewis, M., Pabo, C. O,, and Matthews, B. W. (1983a), Comparison of the structures of cro and lambda repressor proteins from bacteriophage lambda. J Mol Biol 169,757-769. il. Ohlendorf, D, H,, Anderson W. F,, Takeda, Y,, and Matthews, B, W. (1983b). High resolution structural studies of Cro repressor protein and implications for DNA recognition, J Biomol Struct Dyn 1, 553-563.

70. Pabo, О., and Sauer, R. Т. (1984). Protein-DNA recognition. Annu Rev Biochem 55,293-321, Si;4;v5 D v n 102

71. Pakula, A. A., and Sauer, R.T. (1989). Amino acid substitutions that increase the thermal stability of the lambda Cro protein. Proteins 5,202210.

72. Pakula, A. A., and Sauer, R. T. (1990). Reverse hydrophobic effects relieved by amino-acid substitutions at a protein surface. Nature 344,363-364.

73. Pakula, A. A., Young, V. В., and Sauer, R. T. (1986). Bacteriophage lambda cro mutations: effects on activity and intracellular degradation Proc Natl AcadSciUSA55,8829-8833."--"--"-"-

74. Papp, P. P., Chattoraj, D. K., and Schneider, T. D. (1993). Information analysis of sequences that bind the replication initiator RepA. J Mol Biol 233,219-230. --Ь;> i::! ч о п h v c r 5,

75. Pero, J. (1970). Location of the phage lambda gene responsible for turning off lambda-exonuclease synthesis. Virology 40, 65-71;

76. Privalov, P. L., and Potekhin, S. A. (1986). Scanning microcalorimetry in studying temperature-induced changes iriproteins. Metiiods Ehiyniol 4-51.

77. Ptashne, M. (2005). Regulation of transcription:from.lambdato eukaryotes. Trends Biochem Sci 50275-279.:" VM 1. D. i

78. Ptashne, M. (2006). Lambdas switch: lessons from a module swap. Curr Bioi;6,R459-462.

79. Ptashne, M., Johnson, A. D., and Pabo, C. O. (1982). A genetic switch in a bacterial virus. Sci Am 247,128-130,132,134-140.

80. Ptitsyn, O. В., Finkelstein, A. V., Kirpichnikov, M. P., and Skryabin, K. G. (1982). cl and lexA repressors consist of three cro-like domains. FEBS Lett 147,11-15.

81. Raviscioni, M., Gu, P., Sattar, M., Cooney, A. J., and Lichtarge, O. (2005). Correlated evolutionary pressure at interacting transcription factors and DNA response elements can guide the rational engineering of DNA binding specificity. J Mol Bio\ 350,402-415.

82. Roberts, T. M., Kacich, R., and Ptashne, M. (1979). A general method for maximizing the expression of a cloned gene. Proc Natl Acad Sci U S A 76, 760-764.

83. Roberts, T. M., Shimatake, H., Brady, C, and Rosenberg, M. (1977). Sequence of Cro gene of bacteriophage lambda. Nature 270, 274-275.

84. Satumba, W. J., and Mossing, M. С (2002). Folding and assembly of lambda Cro repressor dimers are kinetically limited by proline isomerization. Biochemistry 7,14216-14224.

85. Sauer, R. Т., Yocum, R. R., Doolittle, R. F., Lewis, M., and Pabo, C. O. (1982). Homology aniorig DNA-binding proteins siiggestsiise of a* conservedsuper-secondary structure. Nature 2P5,447-45i. 104

86. Shirakawa, M., Matsuo, H., and Kyogoku, Y. (1991). Intersubunit disulfidebonded lambda-Cro protein. Protein Eng 4, 545-552.

87. Spolar, R. S., and Record, M. Т., Jr. (1994). Coupling of local folding to site-specific binding of proteins to DNA. Science 263,777-784.

88. Svenningsen, S. L., Costantino, N., Court, D. L., and Adhya, S. (2005). On the role of Cro in lambda prophage induction. Proc Natl Acad Sci U S A ,4465-4469.

89. Szybalski, W. (1969). Initiation and patterns of transcription during phage development. Proc Can Cancer Conf 5,183 -215.

90. Takeda, Y., Folkmanis, A., and Echols, H. (1977). Cro regulatory protein specified by bacteriophage lambda. Structure, DNA-binding, and repression ofRNA synthesis. JBiolChem 252, 6177-6183.

91. Takeda, Y., Kim, J. G., Caday, C. G., Steers, E., Jr., Ohlendorf, D. H., Anderson, W. F., and Matthews, B. W. (1986). Different interactions used by Cro repressor in specific and nonspecific DNA binding. J Biol Chem 261, 8608-8616.

92. Takeda, Y., Ross, P. D., and Mudd, C. P: (1992). Tliermbdynamics of Cro protein-DNA interactions. Proc Natl Acad Sci U S A 89, 8180-8184. 105

93. Taylor, K., Hradecna, Z., and Szybalski, W. (1967). Asymmetric distribution of the transcribing regions on the complementary strands of coliphage lambda DNA. Proc Natl Acad Sci U S A 57,1618-1625.

94. Torigoe, C, Kidokoro, S., Takimoto, M., Kyogoku, Y., and Wada, A. (1991). Spectroscopic studies on lambda cro protein-DNA interactions. J MolBiol2/P, 733-746. 114. von Hippel, P. H., and Berg, 0. G. (1986). On the specificity of DNAprotein interactions. Proc Natl Acad Sci U S A 55,1608-1612. 115. von Hippel, P. H., and Berg, 0. G. (1989). Facilitated target location in biological systems. J Biol Chem 26, 675-678.

95. Weber, P. L., Drobny, G., and Reid, B. R. (1985a). lH NMR studies of lambda cro repressor.

96. Selective optimization of two-dimensional relayed coherence transfer spectroscopy. Biochemistry 24,4549-4552.

97. Weber, P. L., Wemmer, D. E., and Reid, B. R. (1985b). lH NMR studies of lambda cro repressor.

98. Sequential resonance assignments of the lHNMR spectrum. Biochemistry 24,4553-4562.

99. Zasedateleva, 0. A., Krylov, A. S., Prokopenko, D. V., Skabkin, M. A., Ovchinnikov, L. P., Kolcliinsky, A., and Mirzabekov, A. D. (2002). specificity of mammalian Y-t)ox bindihg jprotein p50 in interaction with ss and ds DNA analyzed with generic oligonucleotide microchip. J Mol Biol 524,13-Ю. 106