Моти́в в молекулярной биологии это группа относительно коротких последовательностей нуклеотидов или аминокислот, обладающих достаточным сходством вследствие выполнения ими одной биологической функции, например, связывания одного транскрипционного фактора, и, как следствие, слабо меняющияся в процессе эволюции . Таким образом, под мотивом подразумевают не конкретную последовательность, а каким-либо образом описанный спектр последовательностей, каждая из которых способна выполнять определённую биологическую функцию данного мотива.

Мотивы встречаются в живых организмах повсеместно и выполняют множество жизненно важных функций, таких как регуляция транскрипции и трансляции (в случае нуклеотидных мотивов), посттрансляционная модификация и клеточная локализация белков, и частично обуславливают их функциональные свойства (лейциновая молния). Они широко используются в биоинформатике для предсказания функций генов и белков, построения карт регуляции, важны для многих задач генной инженерии и молекулярной биологии в целом.

В связи с практической важностью мотивов, разработаны как биоинформатические методы их поиска (MEME, Gibbs Sampler), так и методы поиска мотивов in vivo (ChIP-seq, ChIP-exo). Последние довольно часто дают приблизительные координаты мотивов и их результаты затем уточняются биоинформатическими методами.Для удобства хранения мотивов в базах данных используются их разные, отличающееся степенью детальности, представления, наиболее распространенными из которых являются консенсус и позиционная весовая матрица.

Следует отличать мотив от консервативных участков в близкородственных организмах, необладающих значимыми биологическими функциями, где мутационный процесс не успел ещё достаточно их изменить.

Мотивы в нуклеиновых кислотах В случае с ДНК чаще всего мотивы представляют собой короткие последовательности, являющиеся сайтами связывания для белков, таких, как нуклеазы и транскрипционные факторы, или вовлечённые в важные регуляторные процессы уже на уровне РНК, такие как посадка рибосомы, процессинг мРНК и терминация транскрипции.

Краткая история изучения Изучение мотивов в ДНК стало возможным благодаря появлению в 1973 году процедуры секвенирования ДНК (определения последовательности нуклеотидов фрагмента ДНК). Первыми были определены последовательности lac-оператора и лямбда-оператора. Однако до появления более производительных методов секвенирования, количество последовательностей мотивов оставалось достаточно малым. К концу 1970-х годов появилось множество примеров мутантных последовательностей (сайтов), связывающих транскрипционные факторы и последовательностей с изменённой специфичностью. С увеличением количества последовательностей, стали развиваться и методы теоретического предсказания мотивов. В 1982 году была впервые сконструирована позиционно-весовая матрица (ПВМ) мотива сайта инициации трансляции. С помощью построенной ПВМ были предсказаны другие сайты инициации трансляции. Этот подход оказался достаточно мощным и до сих пор в разных формах применяется для поиска известных мотивов в геномах, а конкретные методы различаются только видом весовой функции. Однако подход, основанный на построении ПВМ на базе уже имеющихся последовательностей, не позволял находить принципиально новые мотивы, что является более сложной задачей. Первый алгоритм, решавший эту задачу, был предложен Галласом с коллегами в 1985 году. Этот алгоритм был основан на поиске общих слов в наборе последовательностей и давал большой процент ложноотрицательных результатов, однако он стал основой для целого семейства алгоритмов. Позднее были разработаны более точные вероятностные методы: алгоритм MEME, основанный на процедуре максимизации ожидания и алгоритм Gibbs Sampler, также основанный на процедуре максимизации ожидания. Оба метода оказались очень чувствительными и используются в настоящее время для предсказания мотивов в наборах последовательностей.

После разработки мощных средств для предсказания мотивов связывания транскрипционных факторов и установления соответствия между достаточным количеством транскрипционных факторов и мотивов, стало возможным предсказывать функции оперона, лежащего поблизости от мотива по специфичности транскрипционного фактора, с ним связывающегося и наоборот, предсказывать транскрипционный фактор по генам в опероне, лежащем рядом с определённым мотивом.

Сайты связывания Регуляция транскрипции Характерными примерами регуляции транскрипции, осуществляемой с помощью белка, распознающего специальный мотив, являются:

Сайт пуринового репрессора PurR у Escherichia coli. PurR связывается с последовательностью в 16 нуклеотидов, которая расположена перед пуриновым опероном и регулирует транскрипцию генов, ответственных за синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. Интересно, что у бактерии Bacillus subtilis, эволюционно далёкой от кишечной палочки, также есть пуриновый репрессор, не гомологичный PurR; Сайт лактозного оперона Lac. Лактозный оперон контролируется репрессором LacI, который, связывая ДНК, препятствует транскрипции генов, ответственных за катаболизм лактозы.

Регуляция трансляции Одними из наиболее известных примеров регуляции трансляции при помощи мотив-распознающих регуляторов являются:

Сайт посадки рибосомы прокариот — последовательность Шайн — Дальгарно, здесь связывание происходит с рибопротеином; Сайт посадки рибосомы эукариот — последовательность Козак, связывание происходит с эукариотическим фактором инициации трансляции eIF1; IRE — регуляторные элементы, располагающиеся на 5’UTR и/или 3’UTR мРНК ферментов (к примеру, ферритина), регулирующие содержание железа в клетке. С этими мотивами связываются белки IRP1 (цитозольная форма аконитазы) и IRP2 (каталитически неактивный гомолог аконитазы), регулируя самим фактом своего связывания с мРНК скорость её деградации или скорость трансляции, происходящей с неё.

Сила мотива Сила взаимодействия белка или РНК с ДНК мотивом зависит в первую очередь от последовательности данного мотива. Различают «сильные» мотивы, дающие сильное взаимодействие с белком или РНК и «слабые» мотивы, с которыми взаимодействие слабее. Практически всегда удаётся получить так называемую «консенсусную последовательность» («консенсус»), то есть такую последовательность, в каждой позиции которой стоит буква, наиболее часто встречающаяся в соответствующей позиции в последовательностях мотивов из разных организмов. Консенсусная последовательность принимается за самую сильную, каковой она почти всегда и является. Более слабые мотивы получаются из неё с помощью небольшого (чаще всего 1—3) числа замен.

Эволюция силы мотива В процессе эволюции сила мотивов регулируется с помощью естественного отбора, причём мотив может становиться как сильнее, так и слабее. Характерным примером такой подстройки силы мотива может служить изменчивость последовательности Шайна — Дальгарно (ШД). Есть тесная корреляция между необходимым организму количеством транслируемого белка и силой ШД перед ним.

В случае с ШД, хотя сила связывания белка и напрямую коррелирует с силой связывания 16S-субъединицы рибосомы, в связи с особенностями инициации трансляции, консенсусная последовательность не обязательно будет гарантировать наиболее эффективную трансляцию (из-за затруднённого ухода рибосомы с сайта инициации). Поэтому последовательность Шайна — Дальгарно чаще всего содержит 4—5 нуклеотидов из консенсусной последовательности при длине последней примерно в 7 нуклеотидов.

РНК-переключатели Не всегда наличие мотива, явно выполняющего биологически значимую роль, влечёт за собой наличие белка-регулятора. Регуляция также может осуществляться за счёт связывания РНК с каким-либо низкомолекулярным веществом. На этом принципе построены РНК-переключатели — структуры, образующиеся на РНК во время транскрипции, способные связывать малые молекулы. Связывание молекулы влияет на способность рибопереключателя останавливать транскрипцию или препятствовать трансляции. В этом случае важной оказывается не последовательность нуклеотидов как таковая, а наличие комплементарных нуклеотидов на нужных местах в последовательности.

Регуляция за счёт вторичной структуры Регуляция трансляции также может осуществляться только за счёт образуемой нуклеиновой кислотой вторичной структуры.

Ро-независимый терминатор транскрипции — шпилька, образующаяся на синтезируемой мРНК до начала трансляции, препятствующая дальнейшему синтезу мРНК (Терминатор (ДНК)); IRES — сложная структура в мРНК вирусов эукариот, обеспечивающий внутреннюю инициацию трансляции.

Структура мотива Зачастую, мотивы, связывающие транскрипционные факторы, имеют вид прямых повторов некоторой последовательности, обратных повторов или палиндромных последовательностей. Это можно объяснить работой транскрипционных факторов в виде димеров белков, в которых каждый из мономеров связывает одну и ту же последовательность. Встречаются также мотивы большей повторности. Такое строение мотивов обеспечивает большую резкость реакции на изменение внешних условий. К примеру, если связывание зависит от концентрации одного вещества в клетке, то получаем зависимость силы реакции клетки, описываемую уравнением Михаэлиса — Ментен. С увеличением числа связывающихся единиц белка (будем считать, что действие связывания белка с мотивом проявляется только в случае связывания со всеми повторами) зависимость всё больше становится похожей на сигмоиду, в пределе стремясь к функции Хевисайда, описывающей один из главных принципов реагирования живых систем на многие воздействия — закон «всё или ничего» (), к примеру, формирования потенциала действия.

Мотивы в белках Для белков следует различать мотив в последовательности аминокислот структурный мотив — взаимное расположение нескольких близко расположенных элементов вторичной структуры в пространстве. На последовательности же эти элементы могут далеко отстоять друг от друга.

Мотивы в первичной структуре (последовательности белка) Мотивы в первичной структуре похожи на мотивы в нуклеиновых кислотах. Характерными примерами таковых являются:

сигнальные пептиды — короткие аминокислотные последовательности в составе белка длиной порядка 3—60 аминокислот, определяющие, в какой компартмент клетки будет отправлен после синтеза. Пример — сигнал ядерной локализации; сайты посттрансляционной модификации белков, представляющие собой консервативные пептиды порядка 5—12 аминокислот. Пример — сайты ацетилирования в белке

Структурные мотивы В белках структурные мотивы описывают связи между элементами вторичной структуры. Такие мотивы часто имеют участки переменной длины, которые в некоторых случаях могут и вовсе отсутствовать. Лейциновая молния — характерен для димерных белков, связывающих ДНК. Лейциновая молния обеспечивает контакт двух мономеров белка за счёт гидрофобных взаимодействий. Для него характерно наличие в каждой седьмой позиции остатка лейцина. Цинковые пальцы — характерен для ДНК-связывающих факторов транскрипции; Спираль-поворот-спираль — ДНК-связывающий мотив, именно такой ДНК-связывающий фрагмент у Lac-репрессора. Гомеодомен — мотив, связывающий ДНК и РНК. У эукариот белки с гомеодоменами индуцируют дифференцировку клеток, запуская каскады генов, необходимых для образования тканей и органов. Похож на мотив «спираль-поворот-спираль», потому часто отдельно не выделяется. Укладка Россмана — мотив, связывающий нуклеотиды (к примеру — НАД). Встречается, в частности, в дегидрогеназах, в том числе в глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназе, участвующей в гликолизе. EF-рука — мотив, связывающий ионы Са2+, также подобен мотиву «спираль-поворот-спираль». Гнездо — три последовательных аминокислотных остатка формируют сайт связывания аниона. Ниша — три последовательных аминокислотных остатка формируют сайт связывания катиона. Бета-шпилька — два β-тяжа, соединённых коротким разворотом цепи белка. Кроме бета-шпильки выделяют и множество других мотивов, функция которых состоит в формировании структурного каркаса белка.