Summary
This work reveals for the first time the structural basis for a protein, Za , binding specifically to left-handed Z-DNA. The boundaries of Za , an N-terminal domain of the dsRNA editing enzyme adenosine deaminase, ADAR1, were determined with limited proteolysis. Those experiments suggest that Za is in fact part of a bipartite domain Zab. Nevertheless, the isolated Za domain is capable of binding to Z-DNA with nanomolar apparent affinity. A complex of Za together with a short 6-base pair DNA oligomer, d(TCGCGCG), including a dT overhang was crystallized. The structure was determined at 2.1 ? resolution using the isomorphous replacement technique, including anomalous scattering (SIRAS).
The structure shows that the bound DNA adopts an undistorted Z-DNA conformation, very similar to the Z-form in the pure DNA crystal structure determined by Wang et al. in 1979. Za is a very compact domain consisting of a three-helix bundle closed on one side by a three-stranded antiparallel beta- sheet. The Za -DNA contacts are made between residues from helix a 3 and the C-terminal b -hairpin and mostly the zig-zag shaped phosphate backbone, characteristic of Z-DNA. One single base contact is observed to the exposed carbon 8 of a guanine base in the Z-DNA specific syn conformation. Unlike Z-DNA, in B-DNA all bases are in the anti conformation, not allowing for this interaction. Thus, in this tailored fit Za recognizes the Z-DNA conformation through complementarity in shape and electrostatic nature. Surprisingly, Za contains the helix-turn-helix (HTH) motif commonly found in B-DNA binding proteins. In Za , this motif is used to contact Z-DNA in an entirely different mode from that seen with B-DNA. Together with recent experiments indicating that the HTH motif can also be used to bind RNA, this structure suggests that slight modifications in the HTH motif can result in dramatic differences in substrate specificity.
Zusammenfassung
In dieser Arbeit wird zum erstenmal die spezifische Bindung eines Proteins an linksgängige Z-DNA beschrieben. Die Domänengrenzen dieses 9 kD großen Proteins Za , im N-terminalen Bereich des Doppelstrang-RNA abhängigen Editingenzyms Adenosindeaminase ADAR1 liegend, wurden mit limitierter Proteolyse bestimmt. Diese Experimente legen nahe, daß Za Teil einer zweigeteilten Domäne Zab ist. Die isolierte Za Domäne ist jedoch imstande, an Z-DNA mit nanomolarer Affinität zu binden. Der Komplex von Za mit dem 6 Basenpaar DNA Oligomer d(TCGCGCG) mit dT Überhang wurde kristallisiert. Die Struktur konnte bei einer Auflösung von 2.1 ? mit der Technik des einfachen isomorphen Ersatzes einschliesslich anomaler Streuung (SIRAS) bestimmt werden.
Die Struktur zeigt, daß die gebundene DNA eine unverzerrte Z-DNA Konformation einnimmt, die der Z-Form sehr ähnlich ist, die 1979 von Wang et al. in puren DNA Kristallen erstmals bestimmt wurde. Za ist eine kompakte Domäne, bestehend aus einem Bündel von 3 a -Helices das zur einen Seite von einem 3-strängigen, antiparallelen b -Faltblatt abgeschlossen ist. Die Kontake zwischen Za und der DNA bestehen zwischen Aminosäuren der Helix a 3 und der C-terminalen b -Haarnadel einerseits und in erster Linie dem Z-DNA spezifischen Zick-Zack Zucker-Phosphat Rückgrat andererseits. Die Struktur zeigt einen einziger Basenkontakt zum exponierten Kohlenstoff 8 einer Guaninbase in der Z-DNA spezifischen syn Konformation. Anders als in Z-DNA sind in B-DNA alle Basen in der anti Konformation, welche diese Interaktion nicht erlauben würde. Za erscheint deswegen maßgeschneidert für die Erkennung der Z-DNA Konformation durch Komplementarität sowohl seiner Oberfläche als auch seiner elektrostatischen Eigenschaften.
Überraschenderweise enthält Za ein Helix-Turn-Helix (HTH) Motiv, welches gewöhnlich in B-DNA bindenden Proteinen gefunden wird. Za benutzt dieses Motiv in einer gänzlich anderen Art und Weise um Z-DNA zu erkennen, als sie für B-DNA üblich ist. Im Zusammenhang mit jüngsten Experimenten, die zeigen, daß das HTH Motiv auch zur RNA Bindung verwendet werden kann, legt diese Struktur nahe, daß kleine Modifikationen im HTH Motiv zu drastischen Veränderungen der Substratspezifität führen können.
