Словарь факторов транскрипции | |
---|---|
| |
|
В молекулярной биологии, фактор транскрипции (TF) (или специфичный для последовательности ДНК-связывающий фактор ) представляет собой белок, который контролирует скорость транскрипции генетической информации от ДНК до матричной РНК, путем связывания с конкретной последовательностью ДНК. Функция TF состоит в том, чтобы регулировать - включать и выключать гены, чтобы убедиться, что они экспрессируются в нужной клетке в нужное время и в нужном количестве на протяжении всей жизни клетки и организм. Группы TF действуют скоординированным образом, направляя деление клеток, рост клеток и гибель клеток на протяжении всей жизни; миграция и организация клеток (план тела ) во время эмбрионального развития; и периодически в ответ на сигналы извне клетки, такие как гормон . В геноме человека.
содержится до 1600 ТФ. ТФ работают по отдельности или с другими белками в комплексе, способствуя (как активатор ) или блокируя (как репрессор ) рекрутирование РНК-полимеразы (фермент, выполняющий транскрипцию генетической информации из ДНК в РНК) в конкретные гены.
Определяющая особенность TF заключается в том, что они содержат по крайней мере один ДНК-связывающий домен (DBD), который присоединяется к определенной последовательности ДНК, смежной с генами, которые они регулируют. TF сгруппированы в классы на основе их DBD. Другие белки, такие как коактиваторы, ремоделиры хроматина, гистоновые ацетилтрансферазы, гистондеацетилазы, киназы и метилазы также необходимы для регуляции генов, но у них отсутствуют ДНК-связывающие домены, и поэтому они не являются ТФ.
ТФ представляют интерес для медицины, поскольку мутации ТФ могут вызывать определенные заболевания, а лекарства могут ориентированы на них.
Факторы транскрипции необходимы для регуляции экспрессии генов и, как следствие, встречаются в л. живых организмов. Количество факторов транскрипции, обнаруженных в организме, увеличивается с размером генома, и более крупные геномы, как правило, содержат больше факторов транскрипции на ген.
В геноме человека содержится около 2800 белков, содержащих ДНК. -связывающих доменов, и 1600 из них предположительно функционируют как факторы транскрипции, хотя другие исследования показывают, что их число меньше. Следовательно, примерно 10% генов в геноме кодируют факторы транскрипции, что делает это семейство самым большим семейством белков человека. Более того, гены часто фланкируются несколькими сайтами связывания для различных факторов транскрипции, и для эффективной экспрессии каждого из этих генов требуется совместное действие нескольких различных факторов транскрипции (см., Например, ядерные факторы гепатоцитов ). Следовательно, комбинаторное использование подмножества примерно 2000 факторов транскрипции человека легко объясняет уникальную регуляцию каждого гена в геноме человека во время развития.
Факторы транскрипции связываются с энхансерные или промоторные области ДНК, смежные с генами, которые они регулируют. В зависимости от фактора транскрипции транскрипция соседнего гена регулируется либо вверх, либо вниз. Факторы транскрипции используют множество механизмов для регуляции экспрессии генов. Эти механизмы включают:
Факторы транскрипции - одна из групп белков, которые считывают и интерпретируют генетический «план» в ДНК. Они связываются с ДНК и помогают запустить программу повышенной или пониженной транскрипции генов. Таким образом, они жизненно важны для многих важных клеточных процессов. Ниже приведены некоторые из важных функций и биологических ролей, в которых участвуют факторы транскрипции:
У эукариот важный класс факторов транскрипции, называемый общие факторы транскрипции (GTF) необходимы для транскрипции. Многие из этих GTF фактически не связывают ДНК, а являются частью большого комплекса преиницииции транскрипции, который напрямую взаимодействует с РНК-полимеразой. Наиболее распространенными GTF являются TFIIA, TFIIB, TFIID (см. Также TATA-связывающий белок ), TFIIE, TFIIF и TFIIH. Комплекс преинициации связывается с областями промотора ДНК выше гена, который они регулируют.
Другие факторы транскрипции дифференцированно регулируют экспрессию различных генов, связываясь с энхансерными участками ДНК, соседними с регулируемыми генами. Эти факторы транскрипции имеют решающее значение для обеспечения экспрессии генов в нужной клетке в нужное время и в нужном количестве, в зависимости от меняющихся требований организма.
Многие факторы транскрипции в многоклеточных организмах участвуют в развитии. Отвечая на стимулы, эти факторы транскрипции включают / выключают транскрипцию соответствующих генов, что, в свою очередь, позволяет изменять морфологию клетки или активность, необходимую для определения судьбы клетки и клеточная дифференцировка. Например, семейство факторов транскрипции Hox важно для правильного формирования структуры тела у организмов, столь же разнообразных, как дрозофилы для людей. Другой пример - фактор транскрипции, кодируемый геном определяющей пол области Y (SRY), который играет важную роль в определении пола у людей.
Клетки могут связываться друг с другом, высвобождая молекулы, которые производят сигнальные каскады внутри другой рецептивной клетки. Если сигнал требует активации или подавления генов в клетке-реципиенте, часто факторы транскрипции будут нижестоящими в сигнальном каскаде. Эстроген передача сигналов является примером довольно короткого сигнального каскада, в котором участвует рецептор эстрогена. фактор транскрипции: эстроген секретируется такими тканями, как яичники и плацента, пересекает клеточную мембрану клетки-реципиента и связывается рецептор эстрогена в цитоплазме клетки. Затем рецептор эстрогена попадает в ядро клетки и связывается с его ДНК-связывающими сайтами, изменяя регуляцию транскрипции связанных генов.
Факторы транскрипции действуют не только ниже сигнальных каскадов, связанных с биологическими стимулами, но они также могут быть ниже сигнальных каскадов, участвующих в экологических стимулах. Примеры включают фактор теплового шока (HSF), который активирует гены, необходимые для выживания при более высоких температурах, индуцируемый гипоксией фактор (HIF), который активирует гены, необходимые для выживания клеток в среде с низким содержанием кислорода. и белок, связывающий регуляторный элемент стерола (SREBP), который помогает поддерживать надлежащий уровень липидов в клетке.
Многие транскрипции факторы, особенно те, которые являются протоонкогенами или супрессорами опухолей, помогают регулировать клеточный цикл и, как таковые, определяют, насколько большой станет клетка и когда она сможет делятся на две дочерние клетки. Одним из примеров является онкоген Myc, который играет важную роль в росте клеток и апоптозе.
Факторы транскрипции также могут использоваться для изменения генов. экспрессия в клетке-хозяине, чтобы способствовать патогенезу. Хорошо изученным примером этого являются эффекторы, подобные активатору транскрипции (эффекторы TAL ), секретируемые бактериями Xanthomonas. При введении в растения эти белки могут проникать в ядро растительной клетки, связывать промоторные последовательности растений и активировать транскрипцию генов растений, которые способствуют бактериальной инфекции. Эффекторы TAL содержат центральную область повтора, в которой существует простая взаимосвязь между идентичностью двух критических остатков в последовательных повторах и последовательными основаниями ДНК в целевом сайте эффектора TAL. Это свойство, вероятно, облегчает эволюцию этих белков, чтобы лучше конкурировать с защитными механизмами клетки-хозяина.
В биологии принято, чтобы важные процессы имели несколько слоев. регулирования и контроля. Это также верно в отношении факторов транскрипции: факторы транскрипции не только контролируют скорость транскрипции для регулирования количества продуктов генов (РНК и белка), доступных клетке, но и сами факторы транскрипции регулируются (часто другими факторами транскрипции). Ниже приводится краткий обзор некоторых способов регулирования активности факторов транскрипции:
Факторы транскрипции (как и все белки) транскрибируются из гена на хромосоме в РНК., а затем РНК транслируется в белок. Любой из этих шагов можно регулировать, чтобы повлиять на продукцию (и, следовательно, активность) фактора транскрипции. Следствием этого является то, что факторы транскрипции могут регулировать сами себя. Например, в петле отрицательной обратной связи фактор транскрипции действует как собственный репрессор: если белок фактора транскрипции связывает ДНК своего собственного гена, он подавляет производство большего количества самого себя. Это один из механизмов поддержания низких уровней фактора транскрипции в клетке.
У эукариот факторы транскрипции (как и большинство белков) транскрибируются в ядро , но затем транслируются в цитоплазму клетки. Многие белки, которые активны в ядре, содержат сигналы ядерной локализации, которые направляют их в ядро. Но для многих факторов транскрипции это ключевой момент в их регуляции. Важные классы факторов транскрипции, такие как некоторые ядерные рецепторы, должны сначала связать лиганд, находясь в цитоплазме, прежде чем они смогут переместиться в ядро.
Факторы транскрипции могут быть активированы (или деактивированы) посредством их сигнального домена с помощью ряда механизмов, включая:
У эукариот ДНК или преобразованы с помощью гистонов в компактные частицы, называемые нуклеосомами, где последовательности из примерно 147 пар оснований ДНК составляют ~ 1,65 оборота вокруг октамеров гистоновых белков. ДНК в нуклеосомах недоступна для многих факторов транскрипции. Некоторые факторы транскрипции, так называемые пионерские факторы, все еще способны связывать свои сайты связывания ДНК на нуклеосомной ДНК. Для большинства других факторов транскрипции нуклеосома должна активно разворачиваться молекулярными моторами, такими как ремоделирующие хроматин. В качестве альтернативы, нуклеосома может быть частично развернута под действием температурных колебаний, обеспечивая временный доступ к сайту связывания фактора транскрипции. Во многих случаях фактор транскрипции должен конкурировать за связывание с его сайтом связывания ДНК с другими факторами транскрипции и гистонами или белками негистонового хроматина. Пары факторов транскрипции и других белков могут играть антагонистические роли (активатор против репрессора) в регуляции одного и того же гена.
Большинство факторов транскрипции не работают в одиночку. Многие большие семейства TF образуют сложные гомотипические или гетеротипические взаимодействия посредством димеризации. Чтобы транскрипция гена произошла, ряд факторов транскрипции должен связываться с регуляторными последовательностями ДНК. Этот набор факторов транскрипции, в свою очередь, привлекает промежуточные белки, такие как кофакторы, которые позволяют эффективно привлекать комплекс преиницииции и РНК-полимеразу. Таким образом, для того, чтобы один фактор транскрипции инициировал транскрипцию, все эти другие белки также должны присутствовать, и фактор транскрипции должен находиться в состоянии, в котором он может связываться с ними при необходимости. Кофакторы - это белки, которые модулируют действие факторов транскрипции. Кофакторы взаимозаменяемы между промоторами конкретных генов; белковый комплекс, занимающий промоторную ДНК, и аминокислотная последовательность кофактора определяют его пространственную конформацию. Например, некоторые стероидные рецепторы могут обмениваться кофакторами с NF-κB, что является переключателем между воспалением и клеточной дифференцировкой; таким образом, стероиды могут влиять на воспалительную реакцию и функцию определенных тканей.
Факторы транскрипции и метилированные цитозины в ДНК играют важную роль в регуляции экспрессии генов. (Метилирование цитозина в ДНК в основном происходит там, где за цитозином следует гуанин в последовательности ДНК от 5 'до 3', сайт CpG.) Метилирование сайтов CpG в промоторной области гена обычно подавляет транскрипцию гена., в то время как метилирование CpG в теле гена увеличивает экспрессию. Ферменты TET играют центральную роль в деметилировании метилированных цитозинов. Деметилирование CpG в промоторе гена за счет активности фермента TET увеличивает транскрипцию гена.
Были оценены сайты связывания ДНК 519 факторов транскрипции. Из них 169 факторов транскрипции (33%) не имели динуклеотидов CpG в своих сайтах связывания, а 33 фактора транскрипции (6%) могли связываться с CpG-содержащим мотивом, но не проявляли предпочтения в отношении сайта связывания с метилированными или неметилированный CpG. Было 117 факторов транскрипции (23%), которые были заблокированы от связывания со своей связывающей последовательностью, если она содержала метилированный сайт CpG, 175 факторов транскрипции (34%) имели усиленное связывание, если их связывающая последовательность имела метилированный сайт CpG, и 25 транскрипционных факторов. факторы (5%) либо ингибировались, либо имели усиленное связывание в зависимости от того, где в связывающей последовательности был расположен метилированный CpG.
Ферменты ТЕТ не связываются специфически с метилцитозином, за исключением случаев, когда они задействованы (см. деметилирование ДНК ). Множественные факторы транскрипции, важные для дифференцировки клеток и спецификации клонов, включая NANOG, SALL4A, WT1, EBF1, PU.1 и E2A, как было показано, рекрутируют ферменты TET в определенные геномные локусы (в основном энхансеры), чтобы воздействовать на метилцитозин (mC) и превращать его в гидроксиметилцитозин hmC (и в большинстве случаев маркировка их для последующего полного деметилирования до цитозина). TET-опосредованное превращение mC в hmC, по-видимому, нарушает связывание 5mC-связывающих белков, включая белки MECP2 и MBD (Methyl-CpG-binding domain ), облегчая ремоделирование нуклеосом и связывание факторов транскрипции, тем самым активируя транскрипцию этих генов. EGR1 является важным фактором транскрипции в формировании памяти. Он играет важную роль в мозге нейроне эпигенетическом репрограммировании. Фактор транскрипции EGR1 рекрутирует белок TET1, который инициирует путь деметилирования ДНК. EGR1 вместе с TET1 используется для программирования распределения сайтов метилирования в ДНК мозга во время развития мозга и в обучении (см. Эпигенетика в обучении и памяти ).
Факторы транскрипции модульной структуры содержат следующие домены :
Часть (домен ) фактор транскрипции, связывающая ДНК, называется его ДНК-связывающим доменом. Ниже приведен частичный список основных семейств ДНК-связывающих доменов / факторов транскрипции:
Семейство | InterPro | Pfam | SCOP |
---|---|---|---|
основная спираль-петля-спираль | InterPro : IPR001092 | Pfam PF00010 | SCOP 47460 |
базовая лейциновая молния (bZIP ) | InterPro : IPR004827 | Pfam PF00170 | SCOP 57959 |
C-концевой эффекторный домен регуляторов двустороннего ответа | InterPro : IPR001789 | Pfam PF00072 | SCOP 46894 |
Блок AP2 / ERF / GCC | InterPro : IPR001471 | Pfam PF00847 | SCOP 54176 |
спираль-поворот-спираль | |||
белки гомеодомена, которые кодируются генами гомеобокса, которые являются факторами транскрипции.. | InterPro : IPR009057 | Pfam PF00046 | SCOP 46689 |
лямбда репрессор -по добный | InterPro : IPR010982 | SCOP 47413 | |
srf-like (фактор ответа ) | InterPro : IPR002100 | Pfam PF00319 | SCOP 55455 |
парная коробка | |||
крылатая спираль | InterPro : IPR013196 | Pfam PF08279 | SCOP 46785 |
цинковые пальцы | |||
* мультидоменный Cys 2 His 2 цинковые пальцы | InterPro : IPR007087 | Pfam PF00096 | SCOP 57667 |
* Zn 2 / Cys 6 | SCOP 57701 | ||
* Zn 2 / Cys 8ядерный рецептор цинковый палец | InterPro : IPR001628 | Pfam PF00105 | SCOP 57716 |
Последовательность ДНК, с которой связывается фактор транскрипции, называется сайтом связывания фактора транскрипции или другим ответом.
Факторы транскрипции взаимодействуют со своими сайтами связывания с использованием комбинации эл. ектростатических (из которых водородные связи являются частным случаем) и силы Ван-дер-Ваальса. Из-за этих химических веществ, дополнительных, дополнительных, связывают ДНК специфического поведения. Однако не все основания в сайте связывания факторы транскрипции могут действительно взаимодействовать с факторами транскрипции. Кроме того, некоторые из этих взаимодействий могут быть слабее других. Таким образом, факторы транскрипции связывают только одну последовательность, но каждая связывает подмножество связанных последовательностей, с разной силой взаимодействия.
, хотя консенсусным сайтом связывания для TATA-связывающего белка (TBP) является TATAAAA, фактор транскрипции TBP также может связывать аналогичные последовательность, такие как TATATAT или ТАТАТАА.
Службы транскрипции могут вызывать набор родственных последовательностей, потенциальные сайты связывания факторов транскрипции возникают случайно, если последовательность ДНК достаточно длинная. Однако маловероятно, что фактор транскрипции свяжет все совместимые совместимые в геноме клетки. Другие ограничения, такие как доступность ДНК в клетке или наличие кофакторов, также могут помочь определить, где на самом деле будет связываться фактор транскрипции. Таким образом, данным механизмом генома, все еще трудно предсказать, где фактор транскрипции действительно свяжется в живой клетке.
Дополнительная специфичность распознавания, однако может быть получена за счет использования более чем одного тома ДНК-связывающего домена (например, тандемных DBD в одном и том же факторе транскрипции или путем димеризации двух факторов транскрипции), которые связываются с двумя или более соседние последовательности ДНК.
Факторы транскрипции клиническое значение по крайней мере по двум причинам: (1) мутации связаны с конкретными заболеваниями, (2) они могут быть мишенями для лекарств.
Из-за их роли в развитии, межклеточной передаче сигналов и клеточного цикле, некоторые заболевания человека связаны с мутациями факторами транскрипции.
Многие факторы транскрипции являются либо супрессорами опухоли, либо онкогенами, и, таким образом, их мутации или аберрантная регуляция связаны с раком. Известно, что три группы факторов транскрипции важны при раке человека: (1) семейства NF-kappaB и AP-1, (2) STAT семейство и (3) стероидные рецепторы.
Ниже представлены несколько наиболее изученных примеров:
Состояние | Описание | Локус |
---|---|---|
Синдром Ретта | Мутации в транскрипционном факторе MECP2 связаны с синдромом Ретта, нарушением психического развития. | Xq28 |
Диабет | Редкая форма диабет, называемый MODY (диабет с началом зрелости у молодых), может быть вызван мутациями в ядерных Х гепатоцитов (HNFs) или фактор-1 промотора инсулина (IPF1 / Pdx1). | множественная |
вербальная диспраксия развития | Мутации в транскрипционном факторе FOXP2 связаны с вербальной диспраксией развития, заболеванием какие люди не могут обеспечить точно скоординированные движения, необходимые для речи. | 7q31 |
Autoi Заболевания mmune | Мутации в транскрипционном факторе FOXP3 вызывает редкую форму аутоиммунного заболевания, называемую IPEX. | Xp11.23 -q13.3 |
Li- Синдром Фраумени | Вызван мутациями в супрессоре опухоли p53. | 17p13.1 |
Рак молочной железы | Семейство STAT имеет отношение к раку груди. | множественный |
множественный рак | Семейство HOX вовлечено в различные виды рака. | множественный |
остеоартрит | Мутация или снижение активности SOX9 |
Приблизительно 10% прописываемых в настоящее время лекарств напрямую нацелены на класс транскрипционных факторов ядерного рецептора. Примеры включают тамоксифен и бикалутамид для лечения рака груди и рака простаты соответственно, а также различных типов противовоспалительных средств. и анаболические стероиды. Кроме того, факторы транскрипции часто косвенно модулируются лекарствами через сигнальные каскады. Возможно, используемым способом напрямую воздействовать на другие изученные факторы транскции, такие как NF-κB, с помощью лекарств. Считается, что факторы транскрипции вне семейства ядерных рецепторов труднее воздействовать на низкомолекулярные терапевтические препараты, поскольку неясно, "лекарственные", но прогресс был достигнут в отношении Pax2 и notch
Дупликации генов сыграли решающую роль в эволюции видов. Это особенно относится к факторам транскрипции. Как только они появляются в виде дубликатов, накопленные мутации, код одной копии, могут иметь место без негативных воздействий на регуляцию нижестоящих мишеней. Однако новые методы доставки ДНК специфического связывания ДНК однокопийного фактора транскрипции ЛИСТ, который встречается среди наземных растений. В этом отношении фактор транскрипции с одной копией может претерпеть изменение специфичности через беспорядочный промежуточный продукт без функции потери. Подобные механизмы были предложены в контексте всех альтернативных филогенетических гипотез и роли транскрипционных факторов в эволюции всех видов.
Существуют разные технологии доступа для анализа факторов транскрипции. На уровне генома обычно используются ДНК- секвенирование и исследование базы данных. Белковая версия фактора транскрипции обнаруживается с помощью специфических антител. Образец обнаруживают на вестерн-блоте. Используя анализ сдвига электрофоретической подвижности (EMSA), можно определить профиль активации факторов транскрипции. Мультиплексный подход к профилированию активации системы микросхем TF, в котором несколько факторов транскрипции могут происходить параллельно. иммунопреципитация хроматина (ChIP). Этот метод основан на химической фиксации хроматина с помощью формальдегида с последующим совместным осаждением ДНК и представляющий интерес фактор транскрипции с использованием формальдегида, который специфически нацелено на этот белок. Затем ДНК может быть идентифицирована с помощью микроматрицы или высокопроизводительного секвенирования (ChIP-seq ) для определения сайтов связывания факторов транскрипции. Если антитело к интересующему белку недоступно, DamID может быть удобной альтернативой.
Как более подробно описать ниже, факторы транскрипции можно классифицировать по их (1) механизм действия, (2) регуляторная функция или (3) гомология последовательностей (и, следовательно, структурное сходство) в их ДНК-связывающих доменах.
Существует два механистических класса факторов транскрипции:
Примеры специфических факторов транскрипции | |||
---|---|---|---|
Фактор | Структурный тип | Последовательность распознавания | Связывается как |
SP1 | Цинковый палец | 5' -GGGCGG- 3' | Мономер |
AP-1 | Базовая молния | 5'-TGA (G / C) TCA-3 ' | Димер |
C / EBP | Базовая застежка-молния | 5'-ATTGCGCAAT-3' | Димер |
Коэффициент теплового шока | Базовая молния | 5'-XGAAX-3 ' | Trimer |
ATF / CREB | Базовая застежка-молния | 5'-TGACGTCA-3' | Димер |
c-Myc | Базовая спираль-петля-спираль | 5'-CACGTG-3 ' | Димер |
Oct-1 | спиральный поворот -helix | 5'-ATGCAAAT-3 ' | Мономер |
NF-1 | Роман | 5'-TTGGCXXXXXXGCCAA-3' | Димер |
(G / C) = G или C. X = A, T, G или C |
Факторы транскрипции классифицированы в соответствии с их регуляторной функцией:
Факторы транскрипции часто классифицируются на основе последовательности сходство и, следовательно, третичная структура их ДНК-связывающих доменов: