Transkripsiyonel düzenleme - Transcriptional regulation
| Transkripsiyon yönetmeliği sözlüğü |
|---|
| • transkripsiyonel düzenleme – örneğin DNA'ya RNA polimeraz bağlanmasına yardımcı olarak veya engelleyerek gen transkripsiyon hızını kontrol etme |
| • transkripsiyon – RNA polimeraz ile bir DNA şablonundan RNA yapma süreci |
| • transkripsiyon faktörü – belirli bir biyokimyasal reaksiyonun veya bedensel sürecin nedenine katkıda bulunan bir protein gibi bir madde |
| • promotör – belirli bir genin transkripsiyonunu başlatan bir DNA bölgesi |
| • Sigma faktörü – RNA Polimeraz ile kompleks oluşturan ve dizi özgüllüğünü kodlayan özel bakteri kofaktörleri |
| • koaktivatör – gen transkripsiyon hızını artırmak için transkripsiyon faktörleriyle çalışan bir protein |
| • korpresör – gen transkripsiyon hızını azaltmak için transkripsiyon faktörleriyle çalışan bir protein |
| Düzenle |
Olarak moleküler biyoloji ve genetik , transkripsiyonel düzenleme , bir hücre dönüşümünü düzenleyen ediliş olan DNA için RNA ( transkripsiyon ve böylece), gen aktivitesini düzenlediğini . Tek bir gen, kopyalanan RNA kopyalarının sayısının değiştirilmesinden genin kopyalandığı zamanın geçici kontrolüne kadar çeşitli şekillerde düzenlenebilir. Bu kontrol, hücre veya organizmanın çeşitli hücre içi ve hücre dışı sinyallere yanıt vermesine ve böylece bir yanıt oluşturmasına olanak tanır. Bu duruma örnek olarak, enzimleri kodlayan bir besin kaynağı bir değişikliğe uyum sağlama mRNA üreten üreten dahil gen okudu olarak, hücre döngüsü belirli faaliyetlerde ürünler ve çok hücreli ökaryotlarda hücre farklılaşması sorumlu gen ürünlerini üreten evrimsel gelişim biyoloji .
Transkripsiyonun düzenlenmesi, tüm canlı organizmalarda hayati bir süreçtir. Bu tarafından idare edilir , transkripsiyon faktörlerinin RNA miktarı çeşitli mekanizmalar yoluyla üretilen ince ayar yapmak için uyum içinde çalışan ve diğer proteinlerin. Bakteriler ve ökaryotlar , transkripsiyon üzerinde kontrol sağlamak için çok farklı stratejilere sahiptir, ancak ikisi arasında bazı önemli özellikler korunur. En önemlisi, herhangi bir genin muhtemelen transkripsiyonu kontrol etmek için belirli bir faktör kombinasyonu tarafından kontrol edildiği olan kombinatoryal kontrol fikridir. Varsayımsal bir örnekte, A ve B faktörleri, A ve C faktörlerinin kombinasyonundan farklı bir gen dizisini düzenleyebilir. Bu kombinatoryal doğa, ikiden çok daha fazla proteinin komplekslerine uzanır ve çok küçük bir alt kümeye izin verir (% 10'dan az). ) tüm hücrenin transkripsiyonel programını kontrol etmek için genomun.
bakterilerde
Transkripsiyonla ilgili erken anlayışın çoğu, ökaryotlarda transkripsiyonel düzenlemenin kapsamı ve karmaşıklığı daha fazla olmasına rağmen, bakterilerden geldi. Bakteriyel transkripsiyon üç ana dizi elemanı tarafından yönetilir:
- Promotörler , transkripsiyonun doğrudan genin yukarısında başarılı bir şekilde başlatılması için RNA polimerazı ve diğer proteinleri bağlayabilen DNA elementleridir .
- Operatörler , bir DNA uzantısına bağlanan ve genin transkripsiyonunu engelleyen baskılayıcı proteinleri tanır.
- DNA'ya bağlanan ve daha yüksek transkripsiyon seviyelerini teşvik eden pozitif kontrol elemanları.
Bu transkripsiyonel düzenleme araçları ökaryotlarda da mevcut olsa da, transkripsiyonel manzara, hem dahil olan proteinlerin sayısı hem de intronların varlığı ve DNA'nın histonlara paketlenmesi ile önemli ölçüde daha karmaşıktır .
Temel bir bakteri geninin transkripsiyonu, promotörünün gücüne ve aktivatörlerin veya baskılayıcıların varlığına bağlıdır. Diğer düzenleyici elemanların yokluğunda, bir promotörün RNA polimerazları için dizi bazlı afinitesi değişir, bu da farklı miktarlarda transkript üretimi ile sonuçlanır. Farklı promotör dizileri için RNA polimerazın değişken afinitesi , transkripsiyon başlangıç bölgesinin yukarısındaki konsensüs dizisi bölgeleriyle ilgilidir . Bir promotörün konsensüs dizisiyle uyumlu olan nükleotidi ne kadar fazlaysa, promotörün RNA Polimeraz için afinitesi o kadar güçlüdür.
Diğer düzenleyici unsurların yokluğunda, bir bakteri transkriptinin varsayılan durumu, bir miktar transkriptin üretilmesiyle sonuçlanan "açık" konfigürasyonda olmaktır. Bu, protein baskılayıcılar ve pozitif kontrol elemanları biçimindeki transkripsiyonel düzenlemenin, transkripsiyonu artırabileceği veya azaltabileceği anlamına gelir. Baskılayıcılar genellikle fiziksel olarak promotör konumunu işgal eder ve RNA polimerazın bağlanmasını engeller. Alternatif olarak, bir baskılayıcı ve polimeraz, baskılayıcı arasındaki fiziksel bir etkileşim ile DNA'ya aynı anda bağlanabilir ve DNA'nın transkripsiyon için eksi sarmal erişim için açılmasını önleyebilir. Bu kontrol stratejisi, bazal durumu kapalı olan ve transkripsiyonun başlatılması için gerekli ko-faktörlerin yüksek oranda gene bağımlı olduğu ökaryotik transkripsiyondan farklıdır.
Sigma faktörleri , RNA polimerazlarına bağlanan ve transkripsiyon başlangıcını düzenleyen özel bakteri proteinleridir. Sigma faktörleri, diziye özgü transkripsiyonun aracıları olarak hareket eder, öyle ki, tüm temizlik genlerinin veya hücrenin stres gibi bazı dış uyaranlara yanıt olarak ifade etmek istediği bir dizi genin transkripsiyonu için tek bir sigma faktörü kullanılabilir.
Başlangıç aşamasında transkripsiyonu düzenleyen işlemlere ek olarak, mRNA sentezi de transkripsiyon uzama hızı ile kontrol edilir. RNA polimeraz duraklamaları sıklıkla meydana gelir ve NusG ve NusA, transkripsiyon-çeviri eşleşmesi ve mRNA ikincil yapısı gibi transkripsiyon faktörleri tarafından düzenlenir .
ökaryotlarda
Bir ökaryotik hücre üretmenin ek karmaşıklığı, onunla birlikte transkripsiyonel düzenlemenin karmaşıklığında bir artış taşır. Ökaryotlar, Pol I , Pol II ve Pol III olarak bilinen üç RNA polimerazına sahiptir . Her polimerazın belirli hedefleri ve aktiviteleri vardır ve bağımsız mekanizmalar tarafından düzenlenir. Polimeraz aktivitesinin kontrol edilebildiği bir dizi ek mekanizma vardır. Bu mekanizmalar genel olarak üç ana alanda gruplandırılabilir:
- Gene polimeraz erişimi üzerinde kontrol. Bu, belki de üç kontrol mekanizmasının en genişidir. Bu, histon yeniden modelleme enzimlerinin, transkripsiyon faktörlerinin, arttırıcıların ve baskılayıcıların ve diğer birçok kompleksin işlevlerini içerir.
- RNA transkriptinin üretken uzaması. Polimeraz bir promotöre bağlandığında, promotör kompleksinden kaçmasına ve RNA'yı başarılı bir şekilde kopyalamaya başlamasına izin vermek için başka bir dizi faktör gerektirir.
- Polimerazın sonlandırılması. RNA transkriptinin kaderini belirleyecek olan, sonlandırmanın nasıl ve ne zaman gerçekleştiğini kontrol ettiği bulunan bir dizi faktör.
Bu sistemlerin üçü de hücreden gelen sinyalleri entegre etmek ve buna göre transkripsiyonel programı değiştirmek için uyum içinde çalışır.
Prokaryotik sistemlerde bazal transkripsiyon durumu, kısıtlayıcı olmayan (yani, modifiye edici faktörlerin yokluğunda “açık”) olarak düşünülebilirken, ökaryotlar, RNA transkriptlerini oluşturmak için diğer faktörlerin işe alınmasını gerektiren kısıtlayıcı bir bazal duruma sahiptir. Bu fark, büyük ölçüde, daha yüksek dereceli yapılar oluşturmak için DNA'yı histonların etrafına sararak ökaryotik genomun sıkıştırılmasından kaynaklanmaktadır. Bu sıkıştırma, gen promotörünü, çekirdekteki diğer faktörlerin yardımı olmadan erişilemez hale getirir ve bu nedenle kromatin yapısı, ortak bir düzenleme alanıdır. Prokaryotlardaki sigma faktörlerine benzer şekilde, genel transkripsiyon faktörleri (GTF'ler), ökaryotlarda tüm transkripsiyon olayları için gerekli olan bir dizi faktördür. Bu faktörler, bağlanma etkileşimlerinin stabilize edilmesinden ve RNA polimerazın şablona erişmesine izin vermek için DNA sarmalının açılmasından sorumludur, ancak genellikle farklı promotör bölgeleri için özgünlükten yoksundur. Gen düzenlemesinin büyük bir kısmı, genel transkripsiyon mekanizmasının ve/veya polimerazın bağlanmasını sağlayan veya engelleyen transkripsiyon faktörleri aracılığıyla gerçekleşir. Bu, çekirdek hızlandırıcı elemanlarla yakın etkileşimler yoluyla veya uzun mesafe arttırıcı elemanlar vasıtasıyla gerçekleştirilebilir.
Bir polimeraz bir DNA şablonuna başarılı bir şekilde bağlandığında, stabil promotör kompleksini terk etmek ve yeni oluşan RNA zincirini uzatmaya başlamak için sıklıkla diğer proteinlerin yardımına ihtiyaç duyar. Bu sürece promotör kaçışı denir ve düzenleyici unsurların transkripsiyon sürecini hızlandırmak veya yavaşlatmak için hareket edebileceği başka bir adımdır. Benzer şekilde, protein ve nükleik asit faktörleri, uzama kompleksi ile ilişki kurabilir ve polimerazın DNA şablonu boyunca hareket etme hızını modüle edebilir.
Kromatin durumu düzeyinde
Ökaryotlarda, genomik DNA, onu çekirdeğe sığdırabilmek için yüksek oranda sıkıştırılmıştır. Bu, DNA'nın , herhangi bir zamanda genomun bölümlerinin fiziksel erişilebilirliği için sonuçları olan histon adı verilen protein oktamerlerinin etrafına sarılmasıyla gerçekleştirilir . Önemli kısımlar histon modifikasyonları yoluyla susturulur ve bu nedenle polimerazlar veya bunların kofaktörleri tarafından erişilemez. En yüksek transkripsiyon regülasyonu seviyesi, genleri açığa çıkarmak veya sekestre etmek için histonların yeniden düzenlenmesi yoluyla gerçekleşir, çünkü bu işlemler, imprinting'de olduğu gibi bir kromozomun tüm bölgelerini erişilemez hale getirme yeteneğine sahiptir.
Histon yeniden düzenlenmesi, çekirdek histonların kuyruklarında yapılan translasyon sonrası modifikasyonlarla kolaylaştırılır . Modifikasyonları gibi muhtelif enzimler tarafından yapılabilir histon asetiltransferazlar (HAT'ler) , histon metiltransferaz (HMTs) ve histon deasetilaz (HDAC) diğerleri arasında,. Bu enzimler, metil grupları, asetil grupları, fosfatlar ve ubikuitin gibi kovalent modifikasyonları ekleyebilir veya çıkarabilir. Histon modifikasyonları, kromatin ve sekestr promotör elemanlarının kompaksiyonunu arttırabilen veya histonlar arasındaki boşluğu arttırabilen ve açık DNA üzerinde transkripsiyon faktörlerinin veya polimerazın birleşmesine izin veren diğer proteinleri toplamaya hizmet eder. Örneğin, polycomb kompleksi PRC2 tarafından H3K27 trimetilasyonu, kromozomal sıkıştırmaya ve gen sessizleşmesine neden olur. Bu histon modifikasyonları hücre tarafından oluşturulabilir veya bir ebeveynden epigenetik bir şekilde miras alınabilir .
Sitozin metilasyonu seviyesinde
Destekleyicilerin yaklaşık %60'ındaki transkripsiyon düzenlemesi, CpG dinükleotidleri içindeki sitozinlerin metilasyonuyla kontrol edilir (5' sitozini 3' guanin veya CpG bölgeleri izler ). 5-metilsitozin (5-mC), DNA baz sitozinin metillenmiş bir formudur (bkz. Şekil). 5-mC, ağırlıklı olarak CpG sitelerinde bulunan bir epigenetik belirteçtir. İnsan genomunda yaklaşık 28 milyon CpG dinükleotidi bulunur. Memelilerin çoğu dokusunda, ortalama olarak, CpG sitozinlerinin %70 ila %80'i metillenir (5-metilCpG veya 5-mCpG oluşturur). 5'sitosin-guanin 3' dizileri içindeki metillenmiş sitozinler, genellikle CpG adacıkları adı verilen gruplar halinde ortaya çıkar . Destekleyici dizilerin yaklaşık %60'ı bir CpG adasına sahipken, geliştirici dizilerin yalnızca yaklaşık %6'sı bir CpG adasına sahiptir. CpG adaları düzenleyici dizileri oluşturur, çünkü CpG adaları bir genin promotöründe metillenirse, bu gen transkripsiyonunu azaltabilir veya susturabilir.
DNA metilasyonu , MeCP2 , MBD1 ve MBD2 gibi metil bağlama alanı (MBD) proteinleri ile etkileşim yoluyla gen transkripsiyonunu düzenler . Bu MBD proteinleri, yüksek oranda metillenmiş CpG adalarına en güçlü şekilde bağlanır . Bu MBD proteinleri hem bir metil-CpG bağlama alanına hem de bir transkripsiyon baskılama alanına sahiptir. Metillenmiş DNA'ya bağlanırlar ve kromatin yeniden modelleme ve/veya histon değiştirme aktivitesi ile protein komplekslerini metillenmiş CpG adalarına yönlendirir veya yönlendirirler. MBD proteinleri genellikle, baskılayıcı histon işaretlerinin girişini katalize ederek veya nükleozom yeniden şekillenmesi ve kromatin yeniden düzenlenmesi yoluyla genel bir baskılayıcı kromatin ortamı yaratarak olduğu gibi yerel kromatini bastırır.
Transkripsiyon faktörleri , bir genin ekspresyonunu düzenlemek için spesifik DNA dizilerine bağlanan proteinlerdir. DNA'daki bir transkripsiyon faktörü için bağlanma dizisi genellikle yaklaşık 10 veya 11 nükleotit uzunluğundadır. 2009'da özetlendiği gibi, Vaquerizas ve ark. tüm insan protein kodlayan genlerin yaklaşık %6'sını oluşturan genler tarafından insan genomunda kodlanan yaklaşık 1.400 farklı transkripsiyon faktörü olduğunu göstermiştir. Sinyale yanıt veren genlerle ilişkili transkripsiyon faktörü bağlama bölgelerinin (TFBS'ler) yaklaşık %94'ü güçlendiricilerde meydana gelirken, bu tür TFBS'lerin yalnızca yaklaşık %6'sı promotörlerde meydana gelir.
EGR1 proteini, CpG adalarının metilasyonunun düzenlenmesi için önemli olan özel bir transkripsiyon faktörüdür. Bir EGR1 transkripsiyon faktörü bağlama bölgesi sıklıkla güçlendirici veya hızlandırıcı dizilerde bulunur. Memeli genomunda EGR1 için yaklaşık 12.000 bağlanma bölgesi vardır ve EGR1 bağlanma bölgelerinin yaklaşık yarısı promotörlerde ve yarısı da arttırıcılarda bulunur. EGR1'in hedef DNA bağlanma bölgesine bağlanması, DNA'daki sitozin metilasyonuna karşı duyarsızdır.
Uyarılmamış hücrelerde sadece küçük miktarlarda EGR1 transkripsiyon faktörü proteini saptanabilirken, EGR1 geninin stimülasyondan bir saat sonra proteine çevrilmesi büyük ölçüde yükselir. EGR1 transkripsiyon faktörü proteinlerinin çeşitli hücre tiplerinde ekspresyonu, büyüme faktörleri, nörotransmiterler, hormonlar, stres ve yaralanma ile uyarılabilir. Beyinde, nöronlar aktive edildiğinde, EGR1 proteinleri yukarı regüle edilir ve nöronlarda yüksek oranda eksprese edilen önceden var olan TET1 enzimlerine bağlanır ( toplanır) . TET enzimleri , 5-metilsitozinin demetilasyonunu katalize edebilir. EGR1 transkripsiyon faktörleri, TET1 enzimlerini promotörlerdeki EGR1 bağlanma bölgelerine getirdiğinde, TET enzimleri , bu promotörlerdeki metillenmiş CpG adalarını demetile edebilir . Demetilasyon üzerine, bu promotörler daha sonra hedef genlerinin transkripsiyonunu başlatabilir. Nöronlardaki yüzlerce gen, TET1'in promotörlerinde metillenmiş düzenleyici dizilere EGR1 alımı yoluyla nöron aktivasyonundan sonra farklı şekilde eksprese edilir.
Promotörlerin metilasyonu da sinyallere yanıt olarak değişir. Üç memeli DNA metiltransferazı (DNMT1, DNMT3A ve DNMT3B), DNA'daki sitozinlere metil gruplarının eklenmesini katalize eder. DNMT1 bir "bakım" metiltransferaz iken, DNMT3A ve DNMT3B yeni metilasyonlar gerçekleştirebilir. DNMT3A geninden üretilen iki ek protein izoformu da vardır : DNA metiltransferaz proteinleri DNMT3A1 ve DNMT3A2.
Ekleme izoformu DNMT3A2, klasik bir anında-erken genin ürünü gibi davranır ve örneğin, nöronal aktivasyondan sonra sağlam ve geçici olarak üretilir. DNA metiltransferaz izoformu DNMT3A2'nin sitozinlere bağlandığı ve metil grupları eklediği durumlarda, histon translasyon sonrası modifikasyonlar tarafından belirleniyor gibi görünmektedir.
Öte yandan, nöral aktivasyon, değerlendirilen en az bir hedeflenen promotörün azaltılmış metilasyonu ile birlikte DNMT3A1'in bozulmasına neden olur.
Transkripsiyon faktörleri ve geliştiriciler aracılığıyla
Transkripsiyon faktörleri
Transkripsiyon faktörleri , belirli bir genin ekspresyonunu düzenlemek için spesifik DNA dizilerine bağlanan proteinlerdir. İnsan genomunda yaklaşık 1.400 transkripsiyon faktörü vardır ve bunlar tüm insan protein kodlayan genlerin yaklaşık %6'sını oluşturur. Transkripsiyon faktörlerinin gücü, aşağı yönlü hedef genlerin geniş repertuarlarını aktive etme ve/veya baskılama yeteneklerinde yatar. Bu transkripsiyon faktörlerinin kombinatoryal bir tarzda çalışması gerçeği, bir organizmanın genomunun sadece küçük bir alt kümesinin transkripsiyon faktörlerini kodladığı anlamına gelir. Transkripsiyon faktörleri çok çeşitli mekanizmalarla işlev görür. Bir mekanizmada, CpG metilasyonu, çoğu transkripsiyon faktörünün DNA'ya bağlanmasını etkiler - bazı durumlarda olumsuz ve diğerlerinde olumlu. Ek olarak, genellikle , hücre altı lokalizasyonu veya aktivitesi gibi faktör hakkında bir şeyi değiştirme işlevi gören bir sinyal iletim yolunun sonundadırlar . Sitozolde bulunan transkripsiyon faktörlerinde yapılan translasyon sonrası modifikasyonlar , bunların karşılık gelen güçlendiricilerle etkileşime girebilecekleri çekirdeğe yer değiştirmelerine neden olabilir. Diğer transkripsiyon faktörleri zaten çekirdektedir ve ortak transkripsiyon faktörleriyle etkileşimi sağlamak için değiştirilir. Transkripsiyon faktörleri fonksiyonel durumunu düzenleyen bilinen bazı translasyon sonrası modifikasyonları da fosforilasyon , asetilasyon , Sumoilasyonun ve ubiquitylation . Transkripsiyon faktörleri iki ana kategoriye ayrılabilir: aktivatörler ve baskılayıcılar . Aktivatörler, güçlendirici bağlanma yoluyla transkripsiyonun çekirdek mekanizması ile doğrudan veya dolaylı olarak etkileşime girebilirken, baskılayıcılar ağırlıklı olarak, güçlendirici bölgelerin kromatin yoğunlaşması ile transkripsiyonel baskıya yol açan yardımcı baskılayıcı kompleksleri alır. Bir baskılayıcı, gen ekspresyonunu bastırmak için belirlenmiş bir aktivatöre karşı allosterik rekabet yoluyla işlev görebilir: hem aktivatörler hem de baskılayıcılar için örtüşen DNA-bağlama motifleri, bağlanma bölgesini işgal etmek için fiziksel bir rekabeti indükler. Bastırıcı, motifine aktivatörden daha yüksek bir afiniteye sahipse, baskılayıcı varlığında transkripsiyon etkili bir şekilde bloke edilecektir. Sıkı düzenleyici kontrol, transkripsiyon faktörlerinin oldukça dinamik doğası ile sağlanır. Yine, bir transkripsiyon faktörünün aktif olup olmadığını kontrol etmek için birçok farklı mekanizma mevcuttur. Bu mekanizmalar, protein lokalizasyonu üzerindeki kontrolü veya proteinin DNA'yı bağlayıp bağlayamayacağı üzerindeki kontrolü içerir. Bunun bir örneği, proteinidir HSF1 bağlı kalır, Hsp70 sitosol ve sadece ısı şoku gibi hücresel strese bağlı çekirdeği içerisine doğru. Böylece, bu transkripsiyon faktörünün kontrolü altındaki genler, hücre strese maruz kalmadıkça kopyalanmadan kalacaktır.
geliştiriciler
Güçlendiriciler veya cis düzenleyici modüller/elemanlar (CRM/CRE), çoklu aktivatör ve baskılayıcı bağlanma bölgeleri içeren kodlamayan DNA dizileridir. Güçlendiricilerin uzunluğu 200 bp ila 1 kb arasında değişir ve proksimal, promotöre 5' akış yukarısında veya düzenlenmiş genin ilk intronunda veya uzak, komşu genlerin intronlarında veya lokustan uzakta intergenik bölgelerde olabilir. DNA döngüsü yoluyla, aktif geliştiriciler, çekirdek DNA bağlama motifi promotör özgüllüğüne bağlı olarak promotörle temas eder. Promoter-arttırıcı ikiliği, promotörden RNA Pol II kaçışını tetiklemek için transkripsiyon faktörleri ve transkripsiyonel çekirdek makineler arasındaki fonksiyonel etkileşimin temelini sağlar. 1:1 güçlendirici-destekleyici oranı olduğu düşünülebilirken, insan genomu çalışmaları, aktif bir hızlandırıcının 4 ila 5 güçlendirici ile etkileşime girdiğini öngörmektedir. Benzer şekilde, arttırıcılar bağlantı kısıtlaması olmaksızın birden fazla geni düzenleyebilir ve daha uzak olanları düzenlemek için komşu genleri "atladıkları" söylenir. Nadir olsa da, transkripsiyonel düzenleme, promotörün bulunduğu yerden farklı bir kromozomda bulunan öğeleri içerebilir. Komşu genlerin proksimal geliştiricileri veya destekleyicileri, daha uzak elemanların alınması için platformlar olarak hizmet edebilir.
Geliştirici aktivasyonu ve uygulaması
Memelilerde genlerin yukarı regüle edilmiş ifadesi, sinyaller genlerle bağlantılı promotörlere iletildiğinde başlatılabilir. Genlerin promotörlerinden uzak DNA bölgelerinde yer alan cis düzenleyici DNA dizileri , gen ekspresyonu üzerinde çok büyük etkilere sahip olabilir, bazı genler böyle bir cis düzenleyici dizi nedeniyle 100 kata kadar artan ekspresyona maruz kalır. Bu cis düzenleyici diziler, geliştiriciler , susturucular , yalıtkanlar ve bağlama elemanlarını içerir. Dizilerin bu takımyıldızı arasında, güçlendiriciler ve bunlarla ilişkili transkripsiyon faktörü proteinleri , gen ekspresyonunun düzenlenmesinde öncü bir role sahiptir.
Arttırıcılar , ana gen düzenleyici elementler olan genom dizileridir. Arttırıcılar, hücre tipine özgü gen ekspresyon programlarını, çoğunlukla hedef genlerinin promotörleriyle fiziksel yakınlığa gelmek için uzun mesafeler boyunca döngü yaparak kontrol eder. Beyin kortikal nöronları üzerinde yapılan bir çalışmada, geliştiricilere güçlendiriciler getiren 24.937 döngü bulundu. Her biri hedef genlerinden uzaktaki on veya yüz binlerce nükleotitte bulunan çoklu güçlendiriciler, hedef gen promotörlerine döngü yapar ve ortak hedef genlerinin ekspresyonunu kontrol etmek için birbirleriyle koordine olurlar.
Bu bölümdeki şematik gösterim, bir hedef genin promotörü ile yakın fiziksel yakınlığa gelmek için etrafında dönen bir güçlendiriciyi göstermektedir. Döngü, bir bağlayıcı proteinin bir dimeri (örneğin CTCF veya YY1 dimeri ) tarafından stabilize edilir, dimerin bir üyesi güçlendirici üzerindeki bağlanma motifine sabitlenir ve diğer üye promotör üzerindeki bağlanma motifine demirlenir (ile temsil edilir). resimde kırmızı zikzaklar). Birkaç hücre fonksiyonuna özel transkripsiyon faktörü proteini (2018'de Lambert ve diğerleri, bir insan hücresinde yaklaşık 1.600 transkripsiyon faktörü olduğunu belirttiler) genellikle bir güçlendirici üzerindeki spesifik motiflere ve bu güçlendiriciye bağlı transkripsiyon faktörlerinin küçük bir kombinasyonuna, yakınlaştırıldığında bağlanır. bir DNA döngüsü tarafından bir promotör, hedef genin transkripsiyon seviyesini yönetir. Mediatör (koaktivatör) (etkileşimli bir yapıda genellikle yaklaşık 26 proteinden oluşan bir kompleks), güçlendirici DNA'ya bağlı transkripsiyon faktörlerinden düzenleyici sinyalleri doğrudan promotöre bağlı RNA polimeraz II (RNAP II) enzimine iletir.
Güçlendiriciler, aktif olduklarında, genellikle, Şekilde gösterildiği gibi iki eRNA üreten, iki farklı yönde hareket eden RNA polimerazları ile DNA'nın her iki dizisinden kopyalanır. Aktif olmayan bir güçlendirici, aktif olmayan bir transkripsiyon faktörü ile bağlanabilir. Transkripsiyon faktörünün fosforilasyonu onu aktive edebilir ve aktive edilmiş transkripsiyon faktörü daha sonra bağlı olduğu güçlendiriciyi aktive edebilir (resimde bir güçlendiriciye bağlı bir transkripsiyon faktörünün fosforilasyonunu temsil eden küçük kırmızı yıldıza bakın). Aktive edilmiş bir güçlendirici, hedef geninden haberci RNA'nın transkripsiyonunu başlatmak için bir promotörü aktive etmeden önce RNA'sının transkripsiyonunu başlatır.
düzenleyici manzara
Transkripsiyonel başlatma, sonlandırma ve düzenlemeye, gen ekspresyonunu doğru bir şekilde düzenlemek için promotörleri, güçlendiricileri, transkripsiyon faktörlerini ve RNA işleme faktörlerini bir araya getiren “DNA döngüsü” aracılık eder. Kromozom konformasyon yakalama (3C) ve daha yakın zamanda Hi-C teknikleri, aktif kromatin bölgelerinin nükleer alanlarda veya transkripsiyonel düzenlemenin geliştirildiği cisimlerde "sıkıştırıldığına" dair kanıt sağladı. Genomun konfigürasyonu, geliştirici-destekleyici yakınlığı için esastır. Hücre kaderi kararları, kısa ila uzun menzilli kromatin yeniden düzenlemeleri yoluyla tüm gen düzenleyici ağları modüler olarak açmak veya kapatmak için interfazda oldukça dinamik genomik yeniden düzenlemelere aracılık eder. İlgili çalışmalar, metazoan genomlarının, yalnızca kodlamayan dizileri içeren büyük genomik bölgelere dağılmış yüzlerce geliştirici tarafından düzenlenen düzinelerce gen içeren Topolojik ilişki alanları (TAD'ler) olarak adlandırılan uzun bir megabaz etrafında yapısal ve işlevsel birimlere bölündüğünü göstermektedir . TAD'lerin işlevi, farklı TAD'lerde yayılmalarını sağlamak yerine, tek bir büyük işlevsel alan içinde birlikte etkileşime giren geliştiricileri ve promotörleri yeniden gruplamaktır. Bununla birlikte, fare geliştirme çalışmaları, iki bitişik TAD'nin aynı gen kümesini düzenleyebileceğine işaret etmektedir. Uzuv evrimi ile ilgili en alakalı çalışma, tetrapod genomlarındaki HoxD gen kümesinin 5' ucundaki TAD'nin, distal ekstremite tomurcuk embriyolarında ekspresyonunu tahrik ettiğini ve eli ortaya çıkardığını, 3' tarafında bulunanın ise eli ortaya çıkardığını göstermektedir. kola yol açan proksimal uzuv tomurcuğu. Yine de, TAD'lerin düzenleyici etkileşimleri geliştirmek için uyarlanabilir bir strateji mi yoksa kısıtlamaların bu aynı etkileşimler üzerindeki bir etkisi mi olduğu bilinmemektedir. TAD sınırları genellikle temizlik genleri, tRNA'lar, diğer yüksek oranda eksprese edilmiş diziler ve Kısa Serpiştirilmiş Öğeler (SINE) tarafından oluşturulur. Bu genler, her yerde eksprese edilmek üzere sınır konumlarından faydalanabilirken, TAD kenar oluşumu ile doğrudan bağlantılı değildirler. TAD'lerin sınırlarında tanımlanan spesifik moleküller, yalıtkanlar veya mimari proteinler olarak adlandırılır, çünkü bunlar yalnızca geliştirici sızıntılı ekspresyonunu engellemekle kalmaz, aynı zamanda hedeflenen promotöre cis-düzenleyici girdilerin doğru bir şekilde bölümlenmesini sağlar. Bu yalıtkanlar , kohezinler ve kondensinler gibi yapısal ortakların alınmasına yardımcı olan CTCF ve TFIIIC gibi DNA bağlayıcı proteinlerdir. Mimari proteinlerin karşılık gelen bağlanma bölgelerine lokalizasyonu ve bağlanması, çeviri sonrası modifikasyonlarla düzenlenir. Mimari proteinler tarafından tanınan DNA bağlanma motifleri ya yüksek dolulukta ve birbirlerinin bir megabaz civarında ya da düşük dolulukta ve TAD'lerin içindedir. Yüksek doluluk alanları genellikle korunmuş ve statik iken, TAD içi alanlar hücrenin durumuna göre dinamiktir, bu nedenle TAD'lerin kendileri, birkaç kb'den bir TAD uzunluğuna kadar alt TAD'ler olarak adlandırılabilecek alt alanlarda bölümlere ayrılmıştır (19). Mimari bağlanma bölgeleri birbirinden 100 kb'den daha az olduğunda, Mediatör proteinler, kohezin ile işbirliği yapan mimari proteinlerdir. 100 kb'den büyük alt TAD'ler ve TAD sınırları için CTCF, kohezyon ile etkileşime girdiği bulunan tipik yalıtkandır.
Başlatma öncesi kompleksin ve destekleyici kaçışın
Ökaryotlarda, ribozomal rRNA ve translasyonda yer alan tRNA'lar , RNA polimeraz I (Pol I) ve RNA polimeraz III (Pol III) tarafından kontrol edilir . RNA Polimeraz II (Pol II), hücre içinde haberci RNA (mRNA) üretiminden sorumludur . Özellikle Pol II için, transkripsiyon sürecindeki düzenleyici kontrol noktalarının çoğu, başlatma öncesi kompleksin montajı ve çıkışında meydana gelir . Transkripsiyon faktörlerinin gene-özgü bir kombinasyonu, TFIID ve/veya TFIIA'yı çekirdek promotöre alacak , ardından TFIIB'nin birleşmesi , geri kalan Genel Transkripsiyon Faktörlerinin (GTF'ler) üzerine birleşebileceği stabil bir kompleks yaratacaktır . Bu kompleks nispeten kararlıdır ve birden fazla transkripsiyon başlatma döngüsüne girebilir. TFIIB ve TFIID, Pol II'nin bağlanmasından sonra GTF'lerin geri kalanı birleştirilebilir. Bu düzenek, Pol II'nin C-terminal bölgesinin (CTD) bir dizi kinaz yoluyla translasyon sonrası modifikasyonu (tipik olarak fosforilasyon) ile işaretlenir. CTD, Pol II'nin RbpI alt biriminden uzanan büyük, yapılandırılmamış bir alandır ve heptad dizisi YSPTSPS'nin birçok tekrarından oluşur. Transkripsiyon boyunca Pol II ile ilişkili kalan helikaz olan TFIIH , aynı zamanda heptad dizisindeki serinleri 5 fosforile edecek kinaz aktivitesine sahip bir alt birim içerir. Benzer şekilde, hem CDK8 (masif multiprotein Mediatör kompleksinin bir alt birimi ) hem de CDK9 ( p-TEFb uzama faktörünün bir alt birimi ), CTD üzerindeki diğer kalıntılara karşı kinaz aktivitesine sahiptir. Bu fosforilasyon olayları, transkripsiyon sürecini teşvik eder ve mRNA işleme makineleri için işe alım bölgeleri olarak hizmet eder. Bu kinazların üçü de yukarı yöndeki sinyallere yanıt verir ve CTD'nin fosforile edilmemesi, promotörde durmuş bir polimeraza yol açabilir.
kanserde
Omurgalılarda, gen promotörlerinin çoğu, çok sayıda CpG bölgesi olan bir CpG adası içerir . Bir genin promotör CpG bölgelerinin çoğu metillendiğinde , gen susturulur. Kolorektal kanserler tipik olarak 3 ila 6 sürücü mutasyonuna ve 33 ila 66 otostopçu veya yolcu mutasyonuna sahiptir. Bununla birlikte, transkripsiyonel susturma, kansere ilerlemeye neden olmada mutasyondan daha önemli olabilir. Örneğin, kolorektal kanserlerde yaklaşık 600 ila 800 gen, CpG adası metilasyonu tarafından transkripsiyonel olarak susturulur (bakınız kanserde transkripsiyonun düzenlenmesi ). Kanserde transkripsiyonel baskı , mikroRNA'ların değiştirilmiş ekspresyonu gibi diğer epigenetik mekanizmalar tarafından da meydana gelebilir . Meme kanserinde, BRCA1'in transkripsiyonel baskısı , BRCA1 promotörünün hipermetilasyonundan ziyade aşırı eksprese edilen mikroRNA-182 tarafından daha sık meydana gelebilir (bkz . Göğüs ve yumurtalık kanserlerinde BRCA1'in düşük ekspresyonu ).