DNAバックボーン相互作用がDNA硫黄結合ドメインの配列特異性に影響を与える：構造解析からの発見

DNA backbone interactions impact the sequence specificity of DNA sulfur-binding domains: revelations from structural analyses.

• Hao Yu
• Jiayi Li
• Guang Liu
• Gong Zhao
• Yuli Wang
• Wenyue Hu
• Zixin Deng
• Geng Wu
• Jianhua Gan
• Yi-Lei Zhao
• Xinyi He

抄録

ホスホロチオ化ＤＮＡ（ＰＴ-ＤＮＡ）の硫黄原子は、ＩＶ型制限酵素の保存された硫黄結合ドメイン（ＳＢＤ）の表面空洞によって配位されている。しかし、いくつかのSBDは、いくつかの配列コンテキストで硫黄原子を認識することができません。本研究では、このSBDSprの構造決定要因を明らかにするために、エンドヌクレアーゼSprMcrAのSBDSprとGPSGCC, GPSATC, GPSAACのDNAとの複合体の構造を解析した。その結果、SBDSprはGPSGCC, GPSATC, GPSAACコンテクストのDNAと複合体を形成していることがわかった。SBDSpr-GPSGCCとSBDSco-GPSGCCの構造解析から、後者はGPSGCCのDNAのみを認識し、硫黄配位空洞の上にある正に荷電したループが隣接するDNAリン酸結合と静電的に相互作用していることが明らかになった。構造解析の結果、DNA-タンパク質間の水素結合パターンと弱い非結合相互作用がSBDタンパク質の配列特異性に重要な役割を果たしていることが明らかになった。また、正に荷電したアミノ酸残基とループ内の負に荷電した残基を交換することで、SBDScoはより多くのPT-DNA配列に対して認識を拡張することが可能となり、タイプIVエンドヌクレアーゼは新規な標的配列においてPT-DNAを認識するように設計することが可能であることを示唆している。

The sulfur atom of phosphorothioated DNA (PT-DNA) is coordinated by a surface cavity in the conserved sulfur-binding domain (SBD) of type IV restriction enzymes. However, some SBDs cannot recognize the sulfur atom in some sequence contexts. To illustrate the structural determinants for sequence specificity, we resolved the structure of SBDSpr, from endonuclease SprMcrA, in complex with DNA of GPSGCC, GPSATC and GPSAAC contexts. Structural and computational analyses explained why it binds the above PT-DNAs with an affinity in a decreasing order. The structural analysis of SBDSpr-GPSGCC and SBDSco-GPSGCC, the latter only recognizes DNA of GPSGCC, revealed that a positively charged loop above the sulfur-coordination cavity electrostatically interacts with the neighboring DNA phosphate linkage. The structural analysis indicated that the DNA-protein hydrogen bonding pattern and weak non-bonded interaction played important roles in sequence specificity of SBD protein. Exchanges of the positively-charged amino acid residues with the negatively-charged residues in the loop would enable SBDSco to extend recognization for more PT-DNA sequences, implying that type IV endonucleases can be engineered to recognize PT-DNA in novel target sequences.

© The Author(s) 2020. Published by Oxford University Press on behalf of Nucleic Acids Research.