HMG-домен¶

HMG-домен — это структурно-консервативный ДНК-связывающий белковый домен, характерный для семейства белков группы высокой подвижности (High Mobility Group, HMG). Он отвечает за распознавание и связывание с определёнными структурами ДНК, преимущественно с изогнутыми или способными к изгибу участками, а также с четырёхцепочечными структурами (например, крестообразными ДНК и G-квадруплексами). HMG-домен имеет длину около 75–80 аминокислотных остатков и обладает уникальной L-образной трёхмерной структурой, состоящей из трёх альфа-спиралей, расположенных в виде буквы «L». Белки, содержащие HMG-домен, играют ключевую роль в регуляции транскрипции, репарации ДНК, рекомбинации и поддержании хроматиновой структуры.

¶История открытия

Термин «HMG-домен» был введён в научный обиход в 1980-х годах после выделения и изучения белков группы высокой подвижности (HMG-белков) из клеток млекопитающих. Первоначально HMG-белки были классифицированы по их электрофоретической подвижности и растворимости в кислоте. В 1973 году британский биохимик Эрнст-Георг Краузе и его коллеги впервые описали HMG1 и HMG2 (позднее переименованные в HMGB1 и HMGB2). В 1990-х годах с развитием методов рентгеноструктурного анализа и ядерного магнитного резонанса (ЯМР) была определена трёхмерная структура HMG-домена, что позволило понять механизмы его взаимодействия с ДНК. В 1992 году была опубликована первая кристаллическая структура HMG-домена белка HMG1 (HMGB1) из бычьего тимуса.

¶Структура

¶Аминокислотная последовательность

HMG-домен состоит из примерно 75–80 аминокислотных остатков. Характерной особенностью является наличие трёх консервативных триптофановых остатков, которые участвуют в стабилизации домена и взаимодействии с ДНК. Последовательность домена содержит множество положительно заряженных аминокислот (лизин, аргинин), что обеспечивает электростатическое притяжение к отрицательно заряженному остову ДНК.

¶Трёхмерная структура

Пространственная структура HMG-домена представляет собой L-образную форму, образованную тремя альфа-спиралями (I, II, III). Спирали I и II расположены почти параллельно друг другу, образуя длинное плечо буквы «L», а спираль III — короткое плечо. Между спиралями I и II находится гибкая петля, которая может взаимодействовать с малой бороздкой ДНК. Спираль III содержит консервативный мотив, который вставляется в малую бороздку ДНК, вызывая её изгиб. Стабильность домена поддерживается гидрофобными взаимодействиями между триптофановыми остатками и другими неполярными аминокислотами.

¶Классификация

Белки, содержащие HMG-домен, делятся на три основных семейства:

¶Семейство HMGB (High Mobility Group Box)

К этому семейству относятся белки с одним или двумя HMG-доменами. Наиболее известные представители — HMGB1, HMGB2, HMGB3 и HMGB4. HMGB1 является одним из наиболее распространённых негистоновых белков в ядре клетки и выполняет функции как в ядре (регуляция транскрипции, репарация ДНК), так и вне клетки (выступает в роли сигнальной молекулы при воспалении). HMGB1 состоит из двух HMG-доменов (A-box и B-box) и кислого C-концевого хвоста. Белки этого семейства связываются с ДНК неспецифично, но с высоким сродством к изогнутым структурам.

¶Семейство HMGN (High Mobility Group Nucleosome-binding)

Белки HMGN (например, HMGN1, HMGN2) содержат один HMG-домен, но их функция отличается: они связываются с нуклеосомами, а не с голой ДНК. HMG-домен в этих белках модифицирован и содержит дополнительные мотивы, обеспечивающие взаимодействие с гистонами. HMGN-белки участвуют в ремоделировании хроматина и регуляции транскрипции.

¶Семейство HMGA (High Mobility Group AT-hook)

Белки HMGA (HMGA1, HMGA2) содержат так называемые AT-крючки (AT-hooks) — короткие мотивы, связывающиеся с АТ-богатыми участками ДНК. Хотя AT-крючки структурно отличаются от классического HMG-домена, они часто классифицируются как вариант HMG-домена из-за функционального сходства. HMGA-белки участвуют в формировании архитектуры хроматина и регуляции экспрессии генов.

¶Функции

¶Связывание с ДНК

Основная функция HMG-домена — связывание с ДНК. В отличие от многих других ДНК-связывающих доменов (например, цинковых пальцев или лейциновых застёжек), HMG-домен не распознаёт специфическую нуклеотидную последовательность, а связывается с определёнными структурными элементами ДНК: изгибами, крестообразными структурами, четырёхцепочечными ДНК (G-квадруплексы) и другими неканоническими конформациями. При связывании HMG-домен вызывает изгиб ДНК на угол до 90–130 градусов, что может способствовать сборке транскрипционных комплексов.

¶Регуляция транскрипции

Белки с HMG-доменами действуют как архитектурные факторы транскрипции. Они не обладают собственной транскрипционной активностью, но изменяют конформацию ДНК, облегчая или затрудняя связывание других транскрипционных факторов. Например, HMGB1 может взаимодействовать с факторами транскрипции, такими как p53, NF-κB и рецепторы стероидных гормонов, усиливая их активность.

¶Репарация ДНК и рекомбинация

HMG-домены участвуют в процессах репарации ДНК, особенно в репарации двуцепочечных разрывов. Белок HMGB1 рекрутируется к местам повреждений и способствует сборке комплексов репарации. Кроме того, HMG-домены участвуют в V(D)J-рекомбинации — процессе, необходимом для формирования разнообразия антител и Т-клеточных рецепторов у позвоночных.

¶Внеклеточные функции

Некоторые белки с HMG-доменами, в первую очередь HMGB1, могут выделяться из клетки и выполнять сигнальные функции. Внеклеточный HMGB1 действует как алармин — молекула, сигнализирующая о повреждении тканей или инфекции. Он связывается с рецепторами TLR4 и RAGE, запуская воспалительные реакции. Это свойство делает HMGB1 мишенью для разработки противовоспалительных препаратов.

¶Распространение

HMG-домены обнаружены у всех эукариот, включая животных, растения, грибы и протисты. У прокариот гомологи HMG-доменов отсутствуют, однако у бактерий и архей существуют структурно сходные ДНК-связывающие белки, например, белки семейства HU/IHF. У человека известно более 20 белков, содержащих HMG-домен, включая HMGB1-4, HMGN1-5, HMGA1-2 и другие. У растений HMG-домены присутствуют в белках, участвующих в регуляции развития и ответе на стресс.

¶Медицинское значение

¶Роль в заболеваниях

Нарушения экспрессии или функции белков с HMG-доменами связаны с рядом заболеваний. HMGB1 участвует в патогенезе воспалительных заболеваний, таких как сепсис, ревматоидный артрит и системная красная волчанка. Избыточная активность HMGB1 может приводить к хроническому воспалению. HMGA2 часто ассоциирован с онкогенезом: его гиперэкспрессия обнаружена при многих видах рака, включая рак молочной железы, лёгких и толстой кишки. Мутации в генах HMGA1 и HMGA2 вызывают доброкачественные опухоли, такие как липомы и лейомиомы.

¶Терапевтические подходы

HMGB1 рассматривается как потенциальная мишень для терапии воспалительных заболеваний. Разрабатываются ингибиторы, блокирующие его внеклеточную активность, например, моноклональные антитела и низкомолекулярные соединения. В онкологии белки семейства HMGA изучаются как возможные биомаркеры и мишени для таргетной терапии.

¶Интересные факты

• HMG-домен является одним из немногих ДНК-связывающих доменов, которые могут связываться с четырёхцепочечными структурами ДНК (G-квадруплексами), что делает их уникальными инструментами для изучения этих неканонических форм ДНК.
• Белок HMGB1, помимо ядерных функций, выполняет роль цитокина и может вызывать лихорадку при инфекциях.
• У некоторых организмов, например у дрожжей Saccharomyces cerevisiae, HMG-домены содержатся в белках, участвующих в спаривании и мейозе.
• Структура HMG-домена схожа со структурой ДНК-связывающего домена фактора транскрипции TCF/LEF, что указывает на эволюционное родство этих белков.