Транс-регуляторний апарат. Транскрипційні фактори
ДИФЕРЕНЦІАЛЬНА АКТИВНІСТЬ ГЕНІВ
Аналіз різноманітних морфогенетичних процесів, дослідження біохімічної, структурної і функціональної спеціалізації клітин, тканин і органів дозволяє стверджувати, що в основі клітинної диференціації лежить експресія генів. Теорія диференціальної активності генів виходить з припущення, що поділи клітин, як правило, рівноспадкові, а гени, що не експресуються, зберігаються. Диференціальна активність генів досягається різними способами активації і репресії генів, як прямими – за допомогою транскрипційних факторів, так і опосередкованими – шляхом зміни структури, модифікації ДНК.
Кожна клітина організму містить абсолютно однаковий набір генів (рис.15.5).
Рис.15.5. Нейрон і лімфоцит ссавців. Обидві клітини містять однаковий геном, але експресують різні РНК і білки
(за Албертс Б., Джонсон А., Льюіс Дж. та ін., 2013, зі змінами)
Велика різноманітність клітин обумовлена активним функціонуванням в різних клітинах неоднакових частин геному. Більша частина геному знаходиться в клітинах організму в неактивному, репресованому, стані, і тільки 7-10% генів дерепресовані, тобто активно транскрибуються. І репресія, і активація генів відбуваються під час розвитку, часто обидва процеси продовжуються протягом всього життя диференційованої клітини. Більш того, в процесі розвитку клітини багато генів незворотньо вимикаються, тобто такі гени втрачають здатність до транскрипції і ніколи не експресуються в клітинах даного типу. Транскрипція інших генів підтримується на постійному рівні протягом всього життя клітини – це конститутивна експресія. Основна частина генів, які активно функціонують у більшості клітин організму – це гени, які забезпечують синтез білків загального призначення. Такі гени називаються конститутивними.
Інша група генів (гени, які регулюються) відповідає за синтез специфічних білків, а рівень їхньої експресії залежить від різних регулюючих факторів. Наприклад, інтенсивність транскрипції мРНК може тимчасово збільшуватись або зменшуватись під впливом білків, які зв’язуються з різними регуляторними ділянками гена. Активність регуляторних білків в свою чергу, контролюється рецепторами, які локалізовані або всередині клітини, або на її поверхні. Рецептори розпізнають специфічні молекули, такі як стероїдні гормони, пептидні фактори росту і нейромедіатори, і передають сигнали всередину клітини, що і контролює активність регуляторних білків, які впливають на ДНК.
ЗАГАЛЬНІ ПРИНЦИПИ ГЕНЕТИЧНОГО КОНТРОЛЮ
ЕКСПРЕСІЇ ГЕНІВ
Найважливішим фактором регуляції генної активності є елементи геному, які відповідають за синтез регуляторних білків – гени-регулятори. Сполучаючись з певними нуклеотидними послідовностями ДНК – операторами, білки-регулятори сприяють або перешкоджають сполученню РНК-полімерази з промотором. Якщо білок-регулятор взаємодіє з оператором, який займає частину промотора, або розміщений між ним і структурною частиною гена, то це не дає можливості РНК-полімеразі сполучитись з промоторною послідовністю і здійснити транскрипцію. Такий білок називають репресором. Якщо РНК-полімераза має слабку спорідненість до певного промотора, але йому передує ділянка зв’язування з білком-регулятором, приєднання такого регулятора безпосередньо перед промотором може полегшити зв’язування РНК-полімерази з ДНК, внаслідок чого ініціюється транскрипція. Такі білки називаються активаторами.
Контроль експресії генів може здійснюватись на різних рівнях: контроль на рівні транскрипції (контроль тривалості і частоти транскрипції); контроль на рівні процесингу РНК (контроль сплайсингу і процесингу РНК-транскриптів); контроль на рівні транспорту РНК і її локалізації; контроль на рівні трансляції; контроль на рівні деградації мРНК; контроль на рівні активності білка. Для більшості генів найбільш важливий контроль на рівні транскрипції.
РІВЕНЬ ТРАНСКРИПЦІЇ
Активність багатьох генів може швидко змінюватись під дією спеціальних регуляторів. Клітини мають ідентичну структуру ДНК, але в деяких із них активні одні гени, а в деяких – інші. Тобто в цих клітинах здійснюється транскрипція різних наборів мРНК і відбувається диференціація в різних напрямках.
Регуляція експресії генів має багаторівневий характер. Розрізняють пряму і опосередковану регуляцію експресії. Пряма регуляція зачіпає безпосередньо гени і складається із транс-регуляторного і цис-регуляторного апаратів. Транс-регуляторний апарат – гени, які кодують регуляторні білки і, перш за все, транскрипційні фактори. Цис-регуляторний апарат – регуляторні послідовності ДНК, або модулі, які розміщені на певній відстані від кодуючих ділянок генів або всередині них. Цис-регуляторні модулі містять специфічні послідовності – сайти-мішені, з якими взаємодіють транскрипційні фактори.Опосередкована регуляція – зміна активності генів шляхом видозміни структури хроматину або ДНК. Так, на активність і, можливо, на специфічність транскрипції впливає розмір петлеподібних ділянок ДНК, які виникають при її прикріпленні до ядерного матриксу. Крім того, на ефективність транскрипції еукаріотичних генів безпосередньо впливає упаковка хроматину: транскрипційно активними будуть неконденсовані ділянки хроматину, а гетерохроматин транскрибується слабко або зовсім не підлягає транскрипції.
Транс-регуляторний апарат. Транскрипційні фактори
Серед транскрипційних факторів є загальні, або корові, і специфічні. Загальні взаємодіють з промоторною частиною гена і забезпечують посадку РНК-полімераз. Вони необхідні для здійснення транскрипції будь-яких генів. Специфічні транскрипційні фактори взаємодіють з енхансерами гена. Вони необхідні для активації або репресії генів певного типу.
Корові транскрипційні фактори. Це спеціальні білки, які забезпечують процес транскрипції. Транскрибування генів починається після зв’язування РНК-полімераз з їхніми промоторами. Промотор – регуляторна область гену, послідовність ДНК, яка забезпечує специфічність приєднання РНК-полімерази та контроль транскрипції.
Корові транскрипційні фактори знаходять на молекулі ДНК ТАТА-бокс – особливу послідовність нуклеотидів, розміщену на відстані 25 пар нуклеотидів від стартової точки транскрипції, і зв’язуються з ним. Внаслідок цього утворюється комплекс, з яким взаємодіє РНК-полімераза II. Один із білків цього комплексу фосфорилює карбокситермінальний кінець молекули РНК-полімерази II, що і активує цей фермент.
Специфічні транскрипційні фактори є зовнішніми для гену, який регулюється і тому називаються транс-регуляторними факторами. Це особливі білки, які контролюють стабільність взаємодії корових транскрипційних факторів з певними ділянками ДНК.
Транскрипційні фактори мають три спеціалізованих домени, які виконують різні функції:
1) транс-активуючий домен, який дозволяє білку активувати основний транскрипційний апарат (ТАТА-блок-зв’язуючі білки і РНК-полімеразу);
2) домен модуляції, що містить один або більше ліганд-зв’язуючих сайтів або сайтів фосфорилювання, які необхідні для активації факторів транскрипції;
3) ДНК-зв’язуючий домен, який дозволяє білку розпізнавати і вибірково зв’язуватись зі специфічною послідовністю ДНК. Домени зв’язування мають декілька структурних типів, так званих «мотивів», у відповідності з якими розрізняють декілька родин транскрипційних факторів. Існування таких груп свідчить про те, що в ході еволюції відібрано декілька типів поліпептидів, здатних зв’язуватись з подвійною спіраллю ДНК. Для таких поліпептидів характерна наявність послідовності, що утворює α-спіраль, яка розміщується у великій борозенці ДНК. Завдяки такому структурно стійкому остову, транскрипційний фактор має можливість взаємодіяти зі специфічною послідовністю нуклеотидних основ.
Фактори транскрипції ДНК – основні регулятори експресії гену, які розпізнають короткі відрізки подвійної спіралі ДНК і при цьому визначають, який із тисячі генів в клітині буде транскрибуватись. Визначені тисячі регуляторних білків, кожний з яких має свої унікальні риси, але більшість зв’язується з ДНК у вигляді гомодимерів або гетеродимерів і розпізнають ДНК за допомогою одного із невеликого числа структурних мотивів. Серед них три основні родини:
1.Білки типу «цинковий палець» (zink finger). Білки цієї групи названі так тому, що вони мають ділянку приблизно із 23 амінокислот, яка містить залишки цистину і гістидину, які формують пальцеподібні вирости, що утримуються завдяки зв’язаним іонам цинку. Такі білки взаємодіють з ДНК за допомогою петлеподібних ділянок (рис.15.6).
Рецептори глюкокортикоїдів, естрогенів, вітаміну А, прогестерону, гормонів щитовидної залози і ретиноєвої кислоти містять по два «цинкових пальця».
2. Білки «спіраль-поворот-спіраль» (helix-turn-helix). Ця група ДНК-зв’язуючих білків представлена у більшості випадків гомодимерами. Кожна субодиниця білка містить α-спіраль, яка підходить до великої борозенки спіралі ДНК. Це домен, який «впізнає» (recognition helix). Решта молекули білка випинається із молекули ДНК і обвиває її, а друга α-спіраль входить у велику борозенку на наступному витку ДНК. Коли такі білки сполучаються з ділянкою ДНК, вони змінюють її конформацію і роблять її більш або менш доступною для транскрипції (рис.15.7).
Рис.15.6. Один із типів «цинкових пальців».
А)Схематичне зображення амінокислотної послідовності «цинкового пальця». Б) Трьохмірна структура того ж типу «цинкового пальця», який складається із антипаралельного β-листка (амінокислоти 1-10), за яким – α-спіраль (амінокислоти 12-24). Чотири амінокислоти, які зв’язують цинк, міцно утримують один кінець α-спіралі з одним із кінців β-шару
(за Албертс Б., Джонсон А., Льюіс Дж. та ін., 2013, зі змінами)
3. Амфіфільні спіральні білки. Ця група білків містить дві підгрупи: білки «спіраль-петля-спіраль» (helix-loop-helix) і білки типу «лейцинової блискавки» (leucine zipper). Білки-регулятори, які мають структуру «лейцинової блискавки» можуть формувати гомодимери, в яких субодиниці ідентичні, або гетеродимери, в яких субодиниці не схожі одна на одну. Гетеродимери складаються із двох різних білків з різною специфічністю до ДНК, тому здатність певних факторів транскрипції до формування функціональних димерів значно підвищує різноманітність ДНК-зв’язуючих білків. Утворення гетеродимерів – один із найважливіших механізмів, які використовує еукаріотична клітина для регуляції експресії генів (рис.15.8).
Рис.15.7.Мотив спіраль-поворот-спіраль. Мотив зображений на (А), де кожний білий кружок означає центральний вуглеводний атом в амінокислоті.
С-кінцева α-спіраль приймає участь в сайт-специфічному розпізнанні ДНК. Як показано на (Б), спіраль входить у велику борозенку ДНК, де вона контактує з зовнішньою частиною нуклеотидних пар основ. N-кінцева α-спіраль в основному виконує функцію структурного компонента.
(за Албертс Б., Джонсон А., Льюіс Дж. та ін., 2013, зі змінами)
Рис.15.8. Димер «лейцинової блискавки», зв’язаний з ДНК. Два α-спіральних домена (внизу) димеризуються в α-спіральній області «лейцинової блискавки» (вверху) і утворюють перевернуту Y-подібну структуру. Кожне плече Y-структури утворене однією α-спіраллю (по одній від кожного мономера), яка опосередковує зв’язування зі специфічною послідовністю ДНК у великій борозенці. Кожна α-спіраль зв’язується з половиною симетричної структури ДНК
(за Албертс Б., Джонсон А., Льюіс Дж. та ін., 2013, зі змінами)