Войти
| Регуляция транскрипции глоссарий |
|---|
| • регуляция транскрипции - контроль скорости транскрипции гена, например, помогая или препятствуя Связывание РНК-полимеразы с ДНК |
| • транскрипция - процесс создания РНК из матрицы ДНК с помощью РНК-полимеразы |
| • фактора транскрипции - вещество, такое как белок, которое способствует возникновению конкретной биохимической реакции или физиологического процесса |
| • промотор - область ДНК, которая инициирует транскрипцию определенного гена |
| • Сигма-фактор - специализированные бактериальные кофакторы, которые образуют комплекс с РНК-полимеразой и кодируют специфичность последовательности |
| • коактиватор - белок, который работает с факторами транскрипции для увеличения скорости транскрипции гена |
| • корепрессор - белок, который работает с факторами транскрипции для снижения скорости транскрипции гена |
В молекулярном биология и генетика, регуляция транскрипции - это средство, с помощью которого клетка регулирует преобразование ДНК в РНК (транскрипция ), тем самым управляя активностью гена. Отдельный ген можно регулировать разными способами, от изменения количества копий РНК, которые транскрибируются, до временного контроля того, когда ген транскрибируется. Этот контроль позволяет клетке или организму реагировать на различные внутри- и внеклеточные сигналы и, таким образом, вызывать ответ. Некоторые примеры этого включают производство мРНК, которая кодирует ферменты для адаптации к изменениям в источнике пищи, производство продуктов гена, участвующих в специфической активности клеточного цикла, и производство продуктов генов, ответственных за клеточную дифференциацию у многоклеточных эукариот., как изучено в эволюционной биологии развития.
. Регуляция транскрипции является жизненно важным процессом для всех живых организмов. Он управляется факторами транскрипции и другими белками, работающими совместно, чтобы точно настроить количество продуцируемой РНК с помощью различных механизмов. Бактерии и эукариоты имеют очень разные стратегии осуществления контроля над транскрипцией, но некоторые важные особенности между ними сохраняются. Наиболее важной является идея комбинаторного контроля, заключающаяся в том, что любой данный ген, вероятно, контролируется определенной комбинацией факторов, контролирующих транскрипцию. В гипотетическом примере факторы A и B могут регулировать отдельный набор генов из комбинации факторов A и C. Эта комбинаторная природа распространяется на комплексы из более чем двух белков и допускает очень небольшую подгруппу (менее 10%).) генома, чтобы контролировать программу транскрипции всей клетки.
оперон мальтозы является примером положительного контроля транскрипции. Когда мальтоза отсутствует в E. coli, не будет происходить транскрипции генов мальтозы и не будет мальтозы для связывания с белком-активатором мальтозы. Это предотвращает связывание белка-активатора с сайтом связывания активатора на гене, что, в свою очередь, предотвращает связывание РНК-полимеразы с промотором мальтозы. Транскрипция не происходит. Большая часть раннего понимания транскрипции пришла из бактерий, хотя степень и сложность регуляции транскрипции выше у эукариот. Бактериальная транскрипция регулируется тремя основными элементами последовательности:
Хотя эти средства транскрипции регуляция также существует у эукариот, транскрипционный ландшафт значительно более сложен как из-за количества задействованных белков, так и из-за наличия интронов и упаковки ДНК в гистоны.
Транскрипция основной бактериальный ген зависит от силы его промотора и присутствия активаторов или репрессоров. В отсутствие других регуляторных элементов сродство промоторной последовательности к РНК-полимеразам варьируется, что приводит к продукции различных количеств транскрипта. Вариабельная аффинность РНК-полимеразы к различным промоторным последовательностям связана с областями консенсусной последовательности перед сайтом начала транскрипции. Чем больше нуклеотидов промотора согласуется с консенсусной последовательностью, тем сильнее сродство промотора к РНК-полимеразе.
Когда мальтоза присутствует в E. coli, она связывается с мальтозным активатором. белок (№1), который способствует связыванию белка-активатора мальтозы с сайтом связывания активатора (№2). Это позволяет РНК-полимеразе связываться с mal промотором (# 3). Затем транскрипция генов malE, malF и malG продолжается (№4), поскольку белок-активатор мальтозы и РНК-полимераза перемещаются вниз по ДНК. malE кодирует мальтозу-связывающий периплазматический белок и помогает транспорту мальтозы через клеточную мембрану. malF кодирует белок пермеазы транспортной системы мальтозы и помогает перемещать мальтозу через клеточную мембрану. malG кодирует белок транспортной системы, а также помогает перемещать мальтозу через клеточную мембрану. В отсутствие других регуляторных элементов состояние по умолчанию бактериального транскрипта должно быть в конфигурации «включено», что приводит к образованию некоторых количество стенограммы. Это означает, что регуляция транскрипции в виде белковых репрессоров и элементов положительного контроля может увеличивать или уменьшать транскрипцию. Репрессоры часто физически занимают место промотора, блокируя связывание РНК-полимеразы. Альтернативно, репрессор и полимераза могут связываться с ДНК одновременно с физическим взаимодействием между репрессором, предотвращающим открытие ДНК для доступа к минус-цепи для транскрипции. Эта стратегия контроля отличается от эукариотической транскрипции, базальное состояние которой должно быть отключено и где кофакторы, необходимые для инициации транскрипции, сильно зависят от генов.
Сигма-факторы - это специализированные бактериальные белки, которые связываются с РНК-полимеразами и управляют инициация транскрипции. Сигма-факторы действуют как медиаторы транскрипции, специфичной для последовательности, так что один сигма-фактор может использоваться для транскрипции всех генов домашнего хозяйства или набора генов, которые клетка желает экспрессировать в ответ на некоторые внешние стимулы, такие как стресс.
Помимо процессов, регулирующих транскрипцию на стадии инициации, синтез мРНК также контролируется скоростью элонгации транскрипции. Паузы РНК-полимеразы возникают часто и регулируются факторами транскрипции, такими как NusG и NusA, транскрипция -трансляционное соединение и вторичная структура мРНК.
Дополнительная сложность создания эукариотической клетки влечет за собой увеличение сложности регуляции транскрипции. У эукариот есть три РНК-полимеразы, известные как Pol I, Pol II и Pol III. Каждая полимераза имеет определенные мишени и активности и регулируется независимыми механизмами. Существует ряд дополнительных механизмов, с помощью которых можно контролировать активность полимеразы. Эти механизмы обычно можно разделить на три основные области:
Все три из этих систем работают совместно, чтобы интегрировать сигналы от клетки и соответственно изменить программу транскрипции.
В то время как в прокариотических системах базальное состояние транскрипции можно рассматривать как неограничивающее (то есть «включено» в отсутствие модифицирующих факторов), эукариоты имеют ограничивающее базальное состояние, которое требует привлечения других факторов, чтобы для генерации транскриптов РНК. Это различие в значительной степени связано с уплотнением генома эукариот за счет наматывания ДНК на гистоны с образованием структур более высокого порядка. Это уплотнение делает промотор гена недоступным без помощи других факторов в ядре, и, таким образом, структура хроматина является общим местом регуляции. Подобно сигма-факторам у прокариот, общие факторы транскрипции (GTF) представляют собой набор факторов у эукариот, которые необходимы для всех событий транскрипции. Эти факторы отвечают за стабилизацию связывающих взаимодействий и открытие спирали ДНК, чтобы позволить РНК-полимеразе получить доступ к матрице, но, как правило, им не хватает специфичности для различных сайтов промотора. Большая часть регуляции генов происходит через факторы транскрипции, которые либо рекрутируют, либо ингибируют связывание общего аппарата транскрипции и / или полимеразы. Это может быть достигнуто посредством тесного взаимодействия с коровыми элементами промотора или с помощью элементов-энхансеров, находящихся на большом расстоянии.
После того, как полимераза успешно связывается с матрицей ДНК, часто требуется помощь других белков, чтобы покинуть стабильный промоторный комплекс и начать удлинение зарождающейся цепи РНК. Этот процесс называется ускользанием от промотора и является еще одним шагом, на котором регуляторные элементы могут действовать, ускоряя или замедляя процесс транскрипции. Точно так же факторы белка и нуклеиновой кислоты могут ассоциироваться с комплексом элонгации и модулировать скорость, с которой полимераза перемещается по матрице ДНК.
У эукариот геномная ДНК сильно уплотнена, чтобы она могла поместиться в ядре. Это достигается путем наматывания ДНК на октамеры белка, называемые гистонами, что влияет на физическую доступность частей генома в любой момент времени. Значительные части заглушаются за счет модификаций гистонов и, таким образом, недоступны для полимераз или их кофакторов. Наивысший уровень регуляции транскрипции происходит за счет перестройки гистонов, чтобы обнажить или изолировать гены, потому что эти процессы обладают способностью делать недоступными целые области хромосомы, например то, что происходит при импринтинге.
Перестройке гистонов способствуют посттрансляционные модификации хвостов стержневых гистонов. С помощью ферментов, таких как гистоновые ацетилтрансферазы (HAT), гистоновые метилтрансферазы (HMT) и гистоновые деацетилазы (HDAC), можно производить самые разнообразные модификации, среди прочего. Эти ферменты могут добавлять или удалять ковалентные модификации, такие как метильные группы, ацетильные группы, фосфаты и убиквитин. Модификации гистонов служат для рекрутирования других белков, которые могут либо увеличивать уплотнение хроматина и секвестрирующих промоторных элементов, либо увеличивать расстояние между гистонами и обеспечивать ассоциацию факторов транскрипции или полимеразы на открытой ДНК. Например, триметилирование H3K27 поликомб комплексом PRC2 вызывает уплотнение хромосом и молчание генов. Эти модификации гистонов могут быть созданы клеткой или унаследованы эпигенетическим способом от родителя.
метилирование ДНК представляет собой добавление метильной группы к ДНК, которое происходит в цитозине. На изображении показано основание с одним кольцом цитозина и метильная группа, добавленные к 5-му углероду. У млекопитающих метилирование ДНК происходит почти исключительно в цитозине, за которым следует гуанин.5-Метилцитозин является метилированной формой основания ДНК цитозин (C), который регулирует транскрипцию гена у млекопитающих. Метилированные цитозины в основном встречаются в динуклеотидных последовательностях, где за цитозином следует гуанин, сайт CpG. Общее количество сайтов CpG в геноме человека составляет примерно 28 миллионов. и обычно около 70% всех сайтов CpG имеют метилированный цитозин. Метилирование CpG в промоторной области гена подавляет транскрипцию, в то время как метилирование CpG в теле гена увеличивает экспрессию Ферменты ТЕТ играют центральную роль в деметилировании метилированных цитозинов. Деметилирование CpG в промоторе гена за счет активности фермента TET увеличивает транскрипцию гена.
факторов транскрипции представляют собой белки, которые связываются со специфическими последовательностями ДНК, чтобы регулировать экспрессию данного гена. В геноме человека около 1400 факторов транскрипции, и они составляют около 6% всех генов, кодирующих человеческий белок. Сила факторов транскрипции заключается в их способности активировать и / или подавлять широкий репертуар нижестоящих генов-мишеней. Тот факт, что эти факторы транскрипции работают комбинаторно, означает, что только небольшая часть генома организма кодирует факторы транскрипции. Факторы транскрипции действуют через множество механизмов. По одному механизму метилирование CpG влияет на связывание большинства факторов транскрипции с ДНК - в некоторых случаях отрицательно, а в других положительно. Кроме того, часто они находятся в конце пути передачи сигнала, который функционирует, чтобы изменить что-то в факторе, например, его субклеточную локализацию или его активность. Посттрансляционные модификации факторов транскрипции, расположенных в цитозоле, могут вызывать их перемещение в ядро , где они могут взаимодействовать со своими соответствующими энхансерами. Другие факторы транскрипции уже находятся в ядре и модифицированы для обеспечения взаимодействия с факторами транскрипции партнеров. Некоторые посттрансляционные модификации, которые, как известно, регулируют функциональное состояние факторов транскрипции, включают фосфорилирование, ацетилирование, SUMOylation и убиквитилирование. Факторы транскрипции можно разделить на две основные категории: активаторы и репрессоры. В то время как активаторы могут прямо или косвенно взаимодействовать с основным аппаратом транскрипции посредством связывания энхансера, репрессоры преимущественно рекрутируют корепрессорные комплексы, что приводит к репрессии транскрипции за счет конденсации хроматина в энхансерных областях. Также может случиться так, что репрессор может функционировать посредством аллостерической конкуренции с детерминированным активатором, подавляя экспрессию гена: перекрывающиеся ДНК-связывающие мотивы как для активаторов, так и для репрессоров вызывают физическую конкуренцию за место связывания. Если репрессор имеет более высокое сродство к своему мотиву, чем активатор, транскрипция будет эффективно блокироваться в присутствии репрессора. Жесткий регуляторный контроль достигается за счет очень динамичной природы факторов транскрипции. Опять же, существует множество различных механизмов для контроля активности фактора транскрипции. Эти механизмы включают контроль над локализацией белка или контроль над тем, может ли белок связывать ДНК. Примером этого является белок HSF1, который остается связанным с Hsp70 в цитозоле и перемещается в ядро только при клеточном стрессе, таком как тепловой шок. Таким образом, гены, находящиеся под контролем этого фактора транскрипции, останутся нетранскрибируемыми, если клетка не подвергнется стрессу.
Энхансеры или цис-регуляторные модули / элементы (CRM / CRE) представляют собой некодирующие последовательности ДНК, содержащие несколько сайтов связывания активатора и репрессора. Энхансеры имеют длину от 200 п.о. до 1 т.п.н. и могут быть проксимальнее, на 5’-выше промотора, или внутри первого интрона регулируемого гена, или дистально, в интронах соседних генов или межгенных областях, далеко от локуса. Посредством образования петель ДНК активные энхансеры связываются с промотором в зависимости от специфичности промотора основного ДНК-связывающего мотива. Дихотомия промотор-энхансер обеспечивает основу для функционального взаимодействия между факторами транскрипции и основным механизмом транскрипции, чтобы запустить ускользание РНК Pol II от промотора. В то время как можно было подумать, что соотношение энхансер-промотор составляет 1: 1, исследования генома человека предсказывают, что активный промотор взаимодействует с 4-5 энхансерами. Точно так же энхансеры могут регулировать более одного гена без ограничения сцепления и, как говорят, «пропускают» соседние гены, чтобы регулировать более отдаленные. Даже если это случается нечасто, регуляция транскрипции может включать элементы, расположенные в хромосоме, отличной от той, где находится промотор. Проксимальные энхансеры или промоторы соседних генов могут служить платформами для рекрутирования более дистальных элементов.
Инициирование, терминация и регуляция транскрипции опосредуются «петлей ДНК», которая объединяет промоторы и энхансеры факторы транскрипции и факторы процессинга РНК для точной регуляции экспрессии генов. Захват конформации хромосомы (3C) и недавние методы Hi-C предоставили доказательства того, что активные области хроматина «уплотнены» в ядерных доменах или телах, где регуляция транскрипции усиливается. Конфигурация генома важна для близости энхансера и промотора. Решения о судьбе клеток опосредуются высокодинамичными геномными реорганизациями на интерфазе, чтобы модульно включать или выключать целые генные регуляторные сети посредством коротких и дальних реаранжировок хроматина. Связанные исследования демонстрируют, что геномы многоклеточных животных разделены на структурные и функциональные единицы вокруг мегабазы, которая давно называется Топологическими ассоциативными доменами (TAD), содержащими десятки генов, регулируемых сотнями энхансеров, распределенных в больших геномных областях, содержащих только некодирующие последовательности.. Функция TAD состоит в том, чтобы перегруппировать энхансеры и промоторы, взаимодействующие вместе в одном большом функциональном домене, вместо того, чтобы распространять их в разных TAD. Однако исследования развития мышей указывают на то, что два соседних TAD могут регулировать один и тот же кластер генов. Наиболее актуальное исследование эволюции конечностей показывает, что TAD в 5 'кластере генов HoxD в геномах четвероногих управляет его экспрессией в зародышах зачатков дистальных конечностей, давая начало руке, тогда как рука, расположенная на 3' стороне, делает это в проксимальный зачаток конечности, дающий начало руке. Тем не менее, неизвестно, являются ли TAD адаптивной стратегией для усиления регуляторных взаимодействий или эффектом ограничений на эти же взаимодействия. Границы TAD часто состоят из генов домашнего хозяйства, тРНК, других высокоэкспрессированных последовательностей и коротких вкрапленных элементов (SINE). Хотя эти гены могут использовать преимущество своего пограничного положения для повсеместной экспрессии, они не связаны напрямую с образованием краев TAD. Специфические молекулы, идентифицированные на границах TAD, называются инсуляторами или архитектурными белками, потому что они не только блокируют неплотную экспрессию энхансера, но также обеспечивают точную компартментализацию цис-регуляторных входов в целевой промотор. Эти инсуляторы представляют собой ДНК-связывающие белки, такие как CTCF и TFIIIC, которые помогают рекрутировать структурных партнеров, таких как когезины и конденсины. Локализация и связывание архитектурных белков с соответствующими сайтами связывания регулируется посттрансляционными модификациями. ДНК-связывающие мотивы, распознаваемые архитектурными белками, либо занимают много места и находятся на расстоянии около мегабаз друг от друга, либо имеют низкую занятость и внутри TAD. Сайты с высокой степенью занятости обычно консервативны и статичны, в то время как сайты внутри TAD динамичны в соответствии с состоянием клетки, поэтому сами TAD разделены на субдомены, которые можно назвать субдоменами размером от нескольких kb до длины TAD (19). Когда сайты архитектурного связывания находятся на расстоянии менее 100 т.п.н. друг от друга, белки-медиаторы представляют собой архитектурные белки, которые взаимодействуют с когезином. Для subTAD размером более 100 т.п.н. и границ TAD CTCF является типичным инсулятором, который, как было обнаружено, взаимодействует с когезией.
У эукариот рибосомная рРНК и тРНК, участвующие в трансляции, контролируются РНК-полимеразой I (Pol I) и РНК-полимеразой III (Pol III). РНК-полимераза II (Pol II) отвечает за производство информационной РНК (мРНК) в клетке. В частности, для Pol II, большая часть регуляторных контрольных точек в процессе транскрипции происходит при сборке и ускользании пре-инициационного комплекса. Ген-специфическая комбинация факторов транскрипции будет рекрутировать TFIID и / или TFIIA в основной промотор с последующей ассоциацией TFIIB, создавая стабильный комплекс на которые могут собрать остальные общие факторы транскрипции (GTF). Этот комплекс относительно стабилен и может пройти несколько раундов инициации транскрипции. После связывания TFIIB и TFIID, Pol II остальные GTF могут собираться. Эта сборка отмечена посттрансляционной модификацией (обычно фосфорилированием) C-концевого домена (CTD) Pol II посредством ряда киназ. CTD представляет собой большой неструктурированный домен, отходящий от субъединицы RbpI Pol II, и состоит из множества повторов гептадной последовательности YSPTSPS. TFIIH, геликаза, которая остается связанной с Pol II на протяжении транскрипции, также содержит субъединицу с киназной активностью, которая фосфорилирует серины 5 в гептадной последовательности. Аналогичным образом, как CDK8 (субъединица массивного мультипротеинового комплекса-медиатора), так и CDK9 (субъединица фактора элонгации p-TEFb ) обладают киназной активностью в отношении другие остатки на CTD. Эти события фосфорилирования способствуют процессу транскрипции и служат сайтами рекрутирования для механизма процессинга мРНК. Все три из этих киназ отвечают на восходящие сигналы, и неспособность фосфорилировать CTD может привести к остановке полимеразы на промоторе.
У позвоночных большинство промоторов гена содержат островок CpG с многочисленными сайтами CpG. Когда многие из промоторных сайтов CpG гена метилированы, ген становится замалчиваемым. Колоректальный рак обычно имеет от 3 до 6 мутаций водителя и от 33 до 66 мутаций путешественника или пассажира. Однако подавление транскрипции может иметь большее значение, чем мутации в развитии рака. Например, при колоректальном раке от 600 до 800 генов транскрипционно подавляются метилированием CpG-островков (см. регуляция транскрипции при раке ). Репрессия транскрипции при раке также может происходить с помощью других эпигенетических механизмов, таких как измененная экспрессия микроРНК. При раке груди репрессия транскрипции BRCA1 может происходить чаще за счет сверхэкспрессии микроРНК-182, чем за счет гиперметилирования промотора BRCA1 (см. Низкая экспрессия BRCA1 при раке груди и яичников ).
