Σε όλους τους οργανισμούς (με εξαίρεση ορισμένους ιούς), η εφαρμογή του γενετικού υλικού γίνεται σύμφωνα με το σύστημα DNA-RNA-πρωτεΐνης. Στο πρώτο στάδιο, οι πληροφορίες ξαναγράφονται (μεταγράφονται) από το ένα νουκλεϊκό οξύ στο άλλο. Οι πρωτεΐνες που ρυθμίζουν αυτή τη διαδικασία ονομάζονται παράγοντες μεταγραφής.
Τι είναι η μεταγραφή
Μεταγραφή είναι η βιοσύνθεση ενός μορίου RNA που βασίζεται σε ένα πρότυπο DNA. Αυτό είναι δυνατό λόγω της συμπληρωματικότητας ορισμένων αζωτούχων βάσεων που αποτελούν τα νουκλεϊκά οξέα. Η σύνθεση πραγματοποιείται από εξειδικευμένα ένζυμα - RNA πολυμεράσες και ελέγχεται από πολλές ρυθμιστικές πρωτεΐνες.
Ολόκληρο το γονιδίωμα δεν μεταγράφεται αμέσως, αλλά μόνο ένα ορισμένο μέρος του, που ονομάζεται μεταγραφή. Το τελευταίο περιλαμβάνει έναν προαγωγέα (το σημείο σύνδεσης της RNA πολυμεράσης) και έναν τερματιστή (μια αλληλουχία που ενεργοποιεί την ολοκλήρωση της σύνθεσης).
Το προκαρυωτικό μεταγραφόνιο είναι ένα οπερόνιο που αποτελείται από πολλά δομικά γονίδια (σιστρόνια). Με βάση αυτό, συντίθεται πολυκιστρονικό RNA,που περιέχει πληροφορίες σχετικά με την αλληλουχία αμινοξέων μιας ομάδας λειτουργικά συγγενών πρωτεϊνών. Το ευκαρυωτικό μεταγραφή περιέχει μόνο ένα γονίδιο.
Ο βιολογικός ρόλος της διαδικασίας μεταγραφής είναι ο σχηματισμός προτύπων αλληλουχιών RNA, βάσει των οποίων πραγματοποιείται η πρωτεϊνική σύνθεση (μετάφραση) στα ριβοσώματα.
Σύνθεση RNA σε προκαρυώτες και ευκαρυώτες
Το σχήμα σύνθεσης RNA είναι το ίδιο για όλους τους οργανισμούς και περιλαμβάνει 3 στάδια:
- Έναρξη - προσάρτηση της πολυμεράσης στον προαγωγέα, ενεργοποίηση της διαδικασίας.
- Επέκταση - επέκταση της νουκλεοτιδικής αλυσίδας προς την κατεύθυνση από το 3' έως το 5' τέλος με το κλείσιμο των φωσφοδιεστερικών δεσμών μεταξύ αζωτούχων βάσεων, που επιλέγονται συμπληρωματικά προς τα μονομερή DNA.
- Ο τερματισμός είναι η ολοκλήρωση της διαδικασίας σύνθεσης.
Στα προκαρυωτικά, όλοι οι τύποι RNA μεταγράφονται από μία RNA πολυμεράση, που αποτελείται από πέντε πρωτομερή (β, β', ω και δύο α υπομονάδες), τα οποία μαζί σχηματίζουν ένα ένζυμο πυρήνα ικανό να αυξάνει την αλυσίδα των ριβονουκλεοτιδίων. Υπάρχει επίσης μια πρόσθετη μονάδα σ, χωρίς την οποία η σύνδεση της πολυμεράσης στον προαγωγέα είναι αδύνατη. Το σύμπλεγμα του πυρήνα και του παράγοντα σίγμα ονομάζεται ολοένζυμο.
Παρά το γεγονός ότι η υπομονάδα σ δεν σχετίζεται πάντα με τον πυρήνα, θεωρείται μέρος της RNA πολυμεράσης. Στην κατάσταση διάσπασης, το σίγμα δεν μπορεί να συνδεθεί με τον προαγωγέα, μόνο ως μέρος του ολοενζύμου. Μετά την ολοκλήρωση της έναρξης, αυτό το πρωτομερές διαχωρίζεται από τον πυρήνα και αντικαθίσταται από έναν παράγοντα επιμήκυνσης.
ΔυνατότηταΤο prokaryotes είναι ένας συνδυασμός διαδικασιών μετάφρασης και μεταγραφής. Τα ριβοσώματα ενώνονται αμέσως με το RNA που αρχίζει να συντίθεται και χτίζουν μια αλυσίδα αμινοξέων. Η μεταγραφή σταματά λόγω του σχηματισμού μιας δομής φουρκέτας στην περιοχή τερματισμού. Σε αυτό το στάδιο, το σύμπλεγμα DNA-πολυμεράσης-RNA διασπάται.
Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, η μεταγραφή πραγματοποιείται από τρία ένζυμα:
- RNA πολυμεράση l – συνθέτει 28S και 18S-ριβοσωμικό RNA.
- RNA πολυμεράση ll – μεταγράφει γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες και μικρά πυρηνικά RNA.
- RNA πολυμεράση lll - υπεύθυνη για τη σύνθεση του tRNA και του 5S rRNA (μικρή υπομονάδα ριβοσωμάτων).
Κανένα από αυτά τα ένζυμα δεν είναι ικανό να ξεκινήσει τη μεταγραφή χωρίς τη συμμετοχή ειδικών πρωτεϊνών που παρέχουν αλληλεπίδραση με τον προαγωγέα. Η ουσία της διαδικασίας είναι η ίδια όπως στα προκαρυωτικά, αλλά κάθε στάδιο είναι πολύ πιο περίπλοκο με τη συμμετοχή μεγαλύτερου αριθμού λειτουργικών και ρυθμιστικών στοιχείων, συμπεριλαμβανομένων αυτών που τροποποιούν τη χρωματίνη. Μόνο στο στάδιο έναρξης εμπλέκονται περίπου εκατό πρωτεΐνες, συμπεριλαμβανομένου ενός αριθμού μεταγραφικών παραγόντων, ενώ στα βακτήρια, μια υπομονάδα σίγμα αρκεί για να συνδεθεί με τον υποκινητή και μερικές φορές χρειάζεται η βοήθεια ενός ενεργοποιητή.
Η σημαντικότερη συμβολή του βιολογικού ρόλου της μεταγραφής στη βιοσύνθεση διαφόρων τύπων πρωτεϊνών καθορίζει την ανάγκη για ένα αυστηρό σύστημα ελέγχου της ανάγνωσης γονιδίων.
Μεταγραφικός κανονισμός
Σε κανένα κύτταρο δεν υλοποιείται πλήρως το γενετικό υλικό: μόνο ένα μέρος των γονιδίων μεταγράφεται, ενώ τα υπόλοιπα είναι ανενεργά. Αυτό είναι δυνατό χάρη στο συγκρότημαρυθμιστικοί μηχανισμοί που καθορίζουν από ποια τμήματα DNA και σε ποια ποσότητα θα συντεθούν αλληλουχίες RNA.
Στους μονοκύτταρους οργανισμούς, η διαφορική δραστηριότητα των γονιδίων έχει προσαρμοστική αξία, ενώ στους πολυκύτταρους οργανισμούς καθορίζει επίσης τις διαδικασίες εμβρυογένεσης και οντογένεσης, όταν διαφορετικοί τύποι ιστών σχηματίζονται με βάση ένα γονιδίωμα.
Η έκφραση των γονιδίων ελέγχεται σε διάφορα επίπεδα. Το πιο σημαντικό βήμα είναι η ρύθμιση της μεταγραφής. Η βιολογική έννοια αυτού του μηχανισμού είναι η διατήρηση της απαιτούμενης ποσότητας διαφόρων πρωτεϊνών που απαιτείται από ένα κύτταρο ή έναν οργανισμό σε μια συγκεκριμένη στιγμή ύπαρξης.
Υπάρχει προσαρμογή της βιοσύνθεσης σε άλλα επίπεδα, όπως η επεξεργασία, η μετάφραση και η μεταφορά του RNA από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα (το τελευταίο απουσιάζει στα προκαρυωτικά). Όταν ρυθμίζονται θετικά, αυτά τα συστήματα είναι υπεύθυνα για την παραγωγή μιας πρωτεΐνης που βασίζεται στο ενεργοποιημένο γονίδιο, το οποίο είναι η βιολογική έννοια της μεταγραφής. Ωστόσο, σε οποιοδήποτε στάδιο η αλυσίδα μπορεί να ανασταλεί. Ορισμένα ρυθμιστικά χαρακτηριστικά στους ευκαρυώτες (εναλλακτικοί προαγωγείς, μάτισμα, τροποποίηση θέσεων πολυαδενελίωσης) οδηγούν στην εμφάνιση διαφορετικών παραλλαγών μορίων πρωτεΐνης που βασίζονται στην ίδια αλληλουχία DNA.
Δεδομένου ότι ο σχηματισμός RNA είναι το πρώτο βήμα στην αποκωδικοποίηση της γενετικής πληροφορίας στον δρόμο προς τη βιοσύνθεση πρωτεϊνών, ο βιολογικός ρόλος της διαδικασίας μεταγραφής στην τροποποίηση του κυτταρικού φαινοτύπου είναι πολύ πιο σημαντικός από τη ρύθμιση της επεξεργασίας ή της μετάφρασης.
Προσδιορισμός της δραστικότητας συγκεκριμένων γονιδίων όπως στοτόσο στους προκαρυώτες όσο και στους ευκαρυώτες, εμφανίζεται στο στάδιο της έναρξης με τη βοήθεια συγκεκριμένων διακοπτών, οι οποίοι περιλαμβάνουν ρυθμιστικές περιοχές του DNA και μεταγραφικούς παράγοντες (TFs). Η λειτουργία τέτοιων διακοπτών δεν είναι αυτόνομη, αλλά βρίσκεται υπό τον αυστηρό έλεγχο άλλων κυψελοειδών συστημάτων. Υπάρχουν επίσης μηχανισμοί μη ειδικής ρύθμισης της σύνθεσης RNA, που διασφαλίζουν την κανονική διέλευση της έναρξης, επιμήκυνσης και τερματισμού.
Η έννοια των παραγόντων μεταγραφής
Σε αντίθεση με τα ρυθμιστικά στοιχεία του γονιδιώματος, οι παράγοντες μεταγραφής είναι χημικά πρωτεΐνες. Με τη σύνδεση σε συγκεκριμένες περιοχές του DNA, μπορούν να ενεργοποιήσουν, να αναστείλουν, να επιταχύνουν ή να επιβραδύνουν τη διαδικασία μεταγραφής.
Ανάλογα με το παραγόμενο αποτέλεσμα, οι μεταγραφικοί παράγοντες των προκαρυωτών και των ευκαρυωτών μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες: ενεργοποιητές (πρωτοκινούν ή αυξάνουν την ένταση της σύνθεσης RNA) και καταστολείς (καταστέλλουν ή αναστέλλουν τη διαδικασία). Επί του παρόντος, περισσότεροι από 2000 TFs έχουν βρεθεί σε διάφορους οργανισμούς.
Μεταγραφική ρύθμιση σε προκαρυώτες
Στα προκαρυωτικά, ο έλεγχος της σύνθεσης RNA λαμβάνει χώρα κυρίως στο στάδιο έναρξης λόγω της αλληλεπίδρασης του TF με μια συγκεκριμένη περιοχή του μεταγραφονίου - έναν χειριστή που βρίσκεται δίπλα στον προαγωγέα (μερικές φορές τέμνεται με αυτόν) και στην πραγματικότητα, είναι ένα σημείο προσγείωσης για τη ρυθμιστική πρωτεΐνη (ενεργοποιητής ή καταστολέας). Τα βακτήρια χαρακτηρίζονται από έναν άλλο τρόπο διαφορικού ελέγχου των γονιδίων - τη σύνθεση εναλλακτικών σ-υπομονάδων που προορίζονται για διαφορετικές ομάδες προαγωγέων.
Μερική έκφραση οπερονίουμπορεί να ρυθμιστεί στα στάδια της επιμήκυνσης και του τερματισμού, αλλά όχι λόγω των TF που δεσμεύουν το DNA, αλλά λόγω των πρωτεϊνών που αλληλεπιδρούν με την RNA πολυμεράση. Αυτές περιλαμβάνουν τις πρωτεΐνες Gre και τους παράγοντες κατά του τερματισμού Nus και RfaH.
Η επιμήκυνση και ο τερματισμός της μεταγραφής στους προκαρυώτες επηρεάζεται κατά κάποιο τρόπο από την παράλληλη πρωτεϊνική σύνθεση. Στους ευκαρυώτες, τόσο αυτές οι διαδικασίες όσο και οι παράγοντες μεταγραφής και μετάφρασης διαχωρίζονται χωρικά, πράγμα που σημαίνει ότι δεν σχετίζονται λειτουργικά.
Ενεργοποιητές και καταστολείς
Οι προκαρυώτες έχουν δύο μηχανισμούς ρύθμισης της μεταγραφής στο στάδιο έναρξης:
- θετικό - πραγματοποιείται από πρωτεΐνες ενεργοποιητή;
- αρνητικό - ελέγχεται από καταστολείς.
Όταν ο παράγοντας ρυθμίζεται θετικά, η προσκόλληση του παράγοντα στον χειριστή ενεργοποιεί το γονίδιο και όταν είναι αρνητικό, αντίθετα, το απενεργοποιεί. Η ικανότητα μιας ρυθμιστικής πρωτεΐνης να συνδέεται με το DNA εξαρτάται από την προσκόλληση ενός συνδέτη. Το ρόλο των τελευταίων παίζουν συνήθως κυτταρικοί μεταβολίτες χαμηλού μοριακού βάρους, οι οποίοι σε αυτή την περίπτωση δρουν ως συνενεργοποιητές και συνθλιπτικοί.
Ο μηχανισμός δράσης του καταστολέα βασίζεται στην επικάλυψη των περιοχών προαγωγέα και χειριστή. Σε οπερόνια με αυτή τη δομή, η προσκόλληση ενός πρωτεϊνικού παράγοντα στο DNA κλείνει μέρος της θέσης προσγείωσης της RNA πολυμεράσης, εμποδίζοντας την τελευταία να ξεκινήσει τη μεταγραφή.
Οι ενεργοποιητές λειτουργούν σε αδύναμους, χαμηλής λειτουργικότητας προαγωγείς που αναγνωρίζονται ελάχιστα από τις RNA πολυμεράσες ή είναι δύσκολο να λιώσουν (ξεχωριστοί κλώνοι έλικαDNA που απαιτείται για την έναρξη της μεταγραφής). Με την ένωση του χειριστή, ο πρωτεϊνικός παράγοντας αλληλεπιδρά με την πολυμεράση, αυξάνοντας σημαντικά την πιθανότητα έναρξης. Οι ενεργοποιητές μπορούν να αυξήσουν την ένταση της μεταγραφής κατά 1000 φορές.
Μερικοί προκαρυωτικοί TFs μπορούν να λειτουργήσουν και ως ενεργοποιητές και ως καταστολείς ανάλογα με τη θέση του χειριστή σε σχέση με τον υποκινητή: εάν αυτές οι περιοχές επικαλύπτονται, ο παράγοντας αναστέλλει τη μεταγραφή, διαφορετικά ενεργοποιείται.
| Συνάρτηση συνδέτη σε σχέση με τον παράγοντα | Κατάσταση προσδέματος | Αρνητικός κανονισμός | Θετικός κανονισμός |
| Παρέχει διαχωρισμό από το DNA | Συμμετοχή | Αφαίρεση της πρωτεΐνης καταστολέα, ενεργοποίηση του γονιδίου | Αφαίρεση πρωτεΐνης ενεργοποιητή, γονιδιακός τερματισμός |
| Προσθέτει παράγοντα στο DNA | Διαγραφή | Αφαίρεση καταστολέα, συμπερίληψη μεταγραφής | Κατάργηση ενεργοποιητή, απενεργοποίηση μεταγραφής |
Αρνητική ρύθμιση μπορεί να θεωρηθεί στο παράδειγμα του οπερονίου τρυπτοφάνης του βακτηρίου E. coli, το οποίο χαρακτηρίζεται από τη θέση του χειριστή εντός της αλληλουχίας προαγωγέα. Η πρωτεΐνη καταστολέα ενεργοποιείται με την προσκόλληση δύο μορίων τρυπτοφάνης, τα οποία αλλάζουν τη γωνία της περιοχής δέσμευσης του DNA, έτσι ώστε να μπορεί να εισέλθει στο κύριο αυλάκι της διπλής έλικας. Σε χαμηλή συγκέντρωση τρυπτοφάνης, ο καταστολέας χάνει τον συνδέτη του και γίνεται ξανά ανενεργός. Με άλλα λόγια, η συχνότητα έναρξης της μεταγραφήςαντιστρόφως ανάλογη με την ποσότητα του μεταβολίτη.
Μερικά βακτηριακά οπερόνια (για παράδειγμα, λακτόζη) συνδυάζουν θετικούς και αρνητικούς ρυθμιστικούς μηχανισμούς. Ένα τέτοιο σύστημα είναι απαραίτητο όταν ένα σήμα δεν είναι αρκετό για ορθολογικό έλεγχο της έκφρασης. Έτσι, το οπερόνιο της λακτόζης κωδικοποιεί ένζυμα που μεταφέρονται στο κύτταρο και στη συνέχεια διασπούν τη λακτόζη, μια εναλλακτική πηγή ενέργειας που είναι λιγότερο κερδοφόρα από τη γλυκόζη. Επομένως, μόνο σε χαμηλή συγκέντρωση του τελευταίου, η πρωτεΐνη CAP συνδέεται με το DNA και ξεκινά τη μεταγραφή. Ωστόσο, αυτό ενδείκνυται μόνο με την παρουσία λακτόζης, η απουσία της οποίας οδηγεί στην ενεργοποίηση του καταστολέα Lac, ο οποίος εμποδίζει την πρόσβαση της πολυμεράσης στον προαγωγέα ακόμη και με την παρουσία μιας λειτουργικής μορφής της πρωτεΐνης ενεργοποιητή.
Λόγω της δομής του οπερονίου στα βακτήρια, πολλά γονίδια ελέγχονται από μία ρυθμιστική περιοχή και 1-2 TFs, ενώ στους ευκαρυώτες, ένα μεμονωμένο γονίδιο έχει μεγάλο αριθμό ρυθμιστικών στοιχείων, καθένα από τα οποία εξαρτάται από πολλά άλλα παράγοντες. Αυτή η πολυπλοκότητα αντιστοιχεί στο υψηλό επίπεδο οργάνωσης των ευκαρυωτών, και ιδιαίτερα των πολυκύτταρων οργανισμών.
Ρύθμιση της σύνθεσης mRNA σε ευκαρυώτες
Ο έλεγχος της έκφρασης του ευκαρυωτικού γονιδίου καθορίζεται από τη συνδυασμένη δράση δύο στοιχείων: γεγονότων μεταγραφής πρωτεΐνης (TF) και ρυθμιστικών αλληλουχιών DNA που μπορούν να βρίσκονται δίπλα στον προαγωγέα, πολύ υψηλότερα από αυτόν, σε ιντρόνια ή μετά από γονίδιο (που σημαίνει την κωδικεύουσα περιοχή, και όχι ένα γονίδιο με την πλήρη σημασία του).
Ορισμένες περιοχές λειτουργούν ως διακόπτες, άλλες δεν αλληλεπιδρούναπευθείας με TF, αλλά δίνουν στο μόριο του DNA την απαραίτητη ευελιξία για το σχηματισμό μιας δομής τύπου βρόχου που συνοδεύει τη διαδικασία της μεταγραφικής ενεργοποίησης. Τέτοιες περιοχές ονομάζονται διαχωριστές. Όλες οι ρυθμιστικές αλληλουχίες μαζί με τον προαγωγέα αποτελούν την περιοχή ελέγχου γονιδίου.
Αξίζει να σημειωθεί ότι η δράση των ίδιων των παραγόντων μεταγραφής είναι μόνο μέρος μιας πολύπλοκης πολυεπίπεδης ρύθμισης της γενετικής έκφρασης, στην οποία ένας τεράστιος αριθμός στοιχείων αθροίζεται στον προκύπτοντα φορέα, ο οποίος καθορίζει εάν το RNA θα τελικά να συντεθεί από μια συγκεκριμένη περιοχή του γονιδιώματος.
Ένας πρόσθετος παράγοντας στον έλεγχο της μεταγραφής στο πυρηνικό κύτταρο είναι μια αλλαγή στη δομή της χρωματίνης. Εδώ, υπάρχει τόσο ολική ρύθμιση (που παρέχεται από την κατανομή των περιοχών ετεροχρωματίνης και ευχρωματίνης) όσο και τοπική ρύθμιση που σχετίζεται με ένα συγκεκριμένο γονίδιο. Για να δράσει η πολυμεράση, όλα τα επίπεδα συμπίεσης του DNA, συμπεριλαμβανομένου του νουκλεοσώματος, πρέπει να εξαλειφθούν.
Η ποικιλομορφία των παραγόντων μεταγραφής στους ευκαρυώτες σχετίζεται με μεγάλο αριθμό ρυθμιστών, οι οποίοι περιλαμβάνουν ενισχυτές, σιγαστήρες (ενισχυτές και σιγαστήρες), καθώς και στοιχεία προσαρμογέα και μονωτές. Αυτές οι θέσεις μπορούν να εντοπιστούν τόσο κοντά όσο και σε σημαντική απόσταση από το γονίδιο (έως 50 χιλιάδες bp).
Βελτιωτικά, σιγαστήρες και στοιχεία προσαρμογέα
Οι ενισχυτές είναι σύντομο διαδοχικό DNA ικανό να προκαλέσει μεταγραφή όταν αλληλεπιδρά με μια ρυθμιστική πρωτεΐνη. Προσέγγιση του ενισχυτή στην περιοχή προαγωγέα του γονιδίουπραγματοποιείται λόγω του σχηματισμού μιας δομής DNA που μοιάζει με βρόχο. Η σύνδεση ενός ενεργοποιητή σε έναν ενισχυτή είτε διεγείρει τη συναρμολόγηση του συμπλέγματος έναρξης είτε βοηθά την πολυμεράση να προχωρήσει σε επιμήκυνση.
Ο ενισχυτής έχει πολύπλοκη δομή και αποτελείται από πολλές θέσεις μονάδων, καθεμία από τις οποίες έχει τη δική της ρυθμιστική πρωτεΐνη.
Οι σιγαστήρες είναι περιοχές DNA που καταστέλλουν ή αποκλείουν εντελώς την πιθανότητα μεταγραφής. Ο μηχανισμός λειτουργίας ενός τέτοιου διακόπτη είναι ακόμα άγνωστος. Μία από τις υποθετικές μεθόδους είναι η κατάληψη μεγάλων περιοχών DNA από ειδικές πρωτεΐνες της ομάδας SIR, οι οποίες εμποδίζουν την πρόσβαση σε παράγοντες έναρξης. Σε αυτήν την περίπτωση, όλα τα γονίδια που βρίσκονται εντός μερικών χιλιάδων ζευγών βάσεων από το σιγαστήρα απενεργοποιούνται.
Στοιχεία προσαρμογής σε συνδυασμό με TF που συνδέονται με αυτά αποτελούν μια ξεχωριστή κατηγορία γενετικών διακοπτών που ανταποκρίνονται επιλεκτικά στις στεροειδείς ορμόνες, το κυκλικό AMP και τα γλυκοκορτικοειδή. Αυτό το ρυθμιστικό μπλοκ είναι υπεύθυνο για την απόκριση του κυττάρου σε θερμικό σοκ, έκθεση σε μέταλλα και ορισμένες χημικές ενώσεις.
Μεταξύ των περιοχών ελέγχου του DNA, διακρίνεται ένας άλλος τύπος στοιχείων - οι μονωτές. Αυτές είναι συγκεκριμένες αλληλουχίες που εμποδίζουν τους μεταγραφικούς παράγοντες να επηρεάσουν τα απομακρυσμένα γονίδια. Ο μηχανισμός δράσης των μονωτών δεν έχει ακόμη διευκρινιστεί.
Ευκαρυωτικοί μεταγραφικοί παράγοντες
Αν οι παράγοντες μεταγραφής στα βακτήρια έχουν μόνο ρυθμιστική λειτουργία, τότε στα πυρηνικά κύτταρα υπάρχει μια ολόκληρη ομάδα TF που παρέχουν έναρξη στο υπόβαθρο, αλλά ταυτόχρονα εξαρτώνται άμεσα από τη δέσμευση σεΡυθμιστικές πρωτεΐνες DNA. Ο αριθμός και η ποικιλία των τελευταίων στους ευκαρυώτες είναι τεράστια. Έτσι, στο ανθρώπινο σώμα, το ποσοστό των αλληλουχιών που κωδικοποιούν πρωτεϊνικούς παράγοντες μεταγραφής είναι περίπου το 10% του γονιδιώματος.
Μέχρι σήμερα, τα ευκαρυωτικά TF δεν είναι καλά κατανοητά, όπως και οι μηχανισμοί λειτουργίας των γενετικών διακοπτών, η δομή των οποίων είναι πολύ πιο περίπλοκη από τα μοντέλα θετικής και αρνητικής ρύθμισης στα βακτήρια. Σε αντίθεση με το τελευταίο, η δραστηριότητα των παραγόντων μεταγραφής πυρηνικών κυττάρων επηρεάζεται όχι από ένα ή δύο, αλλά από δεκάδες, ακόμη και εκατοντάδες σήματα που μπορούν αμοιβαία να ενισχύσουν, να αποδυναμώσουν ή να αποκλείσουν το ένα το άλλο.
Αφενός, η ενεργοποίηση ενός συγκεκριμένου γονιδίου απαιτεί μια ολόκληρη ομάδα μεταγραφικών παραγόντων, αλλά από την άλλη, μια ρυθμιστική πρωτεΐνη μπορεί να είναι αρκετή για να πυροδοτήσει την έκφραση πολλών γονιδίων μέσω του μηχανισμού καταρράκτη. Ολόκληρο αυτό το σύστημα είναι ένας πολύπλοκος υπολογιστής που επεξεργάζεται σήματα από διαφορετικές πηγές (τόσο εξωτερικές όσο και εσωτερικές) και προσθέτει τα αποτελέσματά τους στο τελικό αποτέλεσμα με πρόσημο συν ή πλην.
Οι ρυθμιστικοί μεταγραφικοί παράγοντες στους ευκαρυώτες (ενεργοποιητές και καταστολείς) δεν αλληλεπιδρούν με τον χειριστή, όπως στα βακτήρια, αλλά με θέσεις ελέγχου διάσπαρτες στο DNA και επηρεάζουν την έναρξη μέσω ενδιάμεσων, που μπορεί να είναι πρωτεΐνες μεσολαβητές, παράγοντες του συμπλέγματος έναρξης και ένζυμα που αλλάζουν τη δομή της χρωματίνης.
Με εξαίρεση ορισμένους TF που περιλαμβάνονται στο σύμπλεγμα προ-έναρξης, όλοι οι μεταγραφικοί παράγοντες έχουν μια περιοχή δέσμευσης DNA που διακρίνειπροέρχονται από πολλές άλλες πρωτεΐνες που διασφαλίζουν την κανονική διέλευση της μεταγραφής ή λειτουργούν ως ενδιάμεσοι στη ρύθμισή της.
Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι τα ευκαρυωτικά TF μπορούν να επηρεάσουν όχι μόνο την έναρξη αλλά και την επιμήκυνση της μεταγραφής.
Ποικιλία και ταξινόμηση
Στους ευκαρυώτες, υπάρχουν 2 ομάδες πρωτεϊνικών μεταγραφικών παραγόντων: βασικοί (αλλιώς ονομαζόμενοι γενικοί ή κύριοι) και ρυθμιστικοί. Οι πρώτοι είναι υπεύθυνοι για την αναγνώριση των υποκινητών και τη δημιουργία του συμπλέγματος προεκκίνησης. Απαιτείται για την έναρξη της μεταγραφής. Αυτή η ομάδα περιλαμβάνει πολλές δεκάδες πρωτεΐνες που υπάρχουν πάντα στο κύτταρο και δεν επηρεάζουν τη διαφορική έκφραση των γονιδίων.
Το σύμπλεγμα βασικών παραγόντων μεταγραφής είναι ένα εργαλείο παρόμοιο σε λειτουργία με την υπομονάδα σίγμα στα βακτήρια, μόνο πιο περίπλοκο και κατάλληλο για όλους τους τύπους προαγωγέων.
Παράγοντες άλλου τύπου επηρεάζουν τη μεταγραφή μέσω αλληλεπίδρασης με ρυθμιστικές αλληλουχίες DNA. Δεδομένου ότι αυτά τα ένζυμα είναι ειδικά για γονίδια, υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός από αυτά. Με τη σύνδεση σε περιοχές συγκεκριμένων γονιδίων, ελέγχουν την έκκριση ορισμένων πρωτεϊνών.
Η ταξινόμηση των παραγόντων μεταγραφής στους ευκαρυώτες βασίζεται σε τρεις αρχές:
- μηχανισμός δράσης;
- συνθήκες λειτουργίας;
- δομή του τομέα δέσμευσης DNA.
Σύμφωνα με το πρώτο χαρακτηριστικό, υπάρχουν 2 κατηγορίες παραγόντων: βασικοί (αλληλεπιδρούν με τον προαγωγέα) και δεσμευτικοί σε ανάντη περιοχές (ρυθμιστικές περιοχές που βρίσκονται ανάντη του γονιδίου). Αυτό το είδοςΗ ταξινόμηση αντιστοιχεί ουσιαστικά στη λειτουργική διαίρεση του TF σε γενικό και ειδικό. Οι ανοδικοί παράγοντες χωρίζονται σε 2 ομάδες ανάλογα με την ανάγκη για πρόσθετη ενεργοποίηση.
Σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά της λειτουργίας, οι συστατικοί TFs διακρίνονται (που υπάρχουν πάντα σε οποιοδήποτε κύτταρο) και είναι επαγώγιμοι (δεν είναι χαρακτηριστικό όλων των τύπων κυττάρων και μπορεί να απαιτούν ορισμένους μηχανισμούς ενεργοποίησης). Οι παράγοντες της δεύτερης ομάδας, με τη σειρά τους, χωρίζονται σε κυτταροειδείς (συμμετέχουν στην οντογένεση, χαρακτηρίζονται από αυστηρό έλεγχο έκφρασης, αλλά δεν απαιτούν ενεργοποίηση) και εξαρτώμενοι από το σήμα. Τα τελευταία διαφοροποιούνται ανάλογα με τον τύπο και τον τρόπο δράσης του σήματος ενεργοποίησης.
Η δομική ταξινόμηση των παραγόντων μεταγραφής πρωτεϊνών είναι πολύ εκτενής και περιλαμβάνει 6 υπερτάξεις, οι οποίες περιλαμβάνουν πολλές τάξεις και οικογένειες.
Αρχή λειτουργίας
Η λειτουργία των βασικών παραγόντων είναι ένα συγκρότημα καταρράκτη διαφόρων υπομονάδων με το σχηματισμό ενός συμπλέγματος έναρξης και την ενεργοποίηση της μεταγραφής. Στην πραγματικότητα, αυτή η διαδικασία είναι το τελευταίο βήμα στη δράση της πρωτεΐνης ενεργοποιητή.
Συγκεκριμένοι παράγοντες μπορούν να ρυθμίσουν τη μεταγραφή σε δύο βήματα:
- συναρμολόγηση του συγκροτήματος εκκίνησης;
- μετάβαση στην παραγωγική επιμήκυνση.
Στην πρώτη περίπτωση, το έργο συγκεκριμένων TF μειώνεται στην πρωτογενή αναδιάταξη της χρωματίνης, καθώς και στη στρατολόγηση, τον προσανατολισμό και την τροποποίηση του μεσολαβητή, της πολυμεράσης και των βασικών παραγόντων στον υποκινητή, που οδηγεί στην ενεργοποίηση της μεταγραφής. Το κύριο στοιχείο μετάδοσης σήματος είναι ο μεσολαβητής - ένα σύμπλεγμα 24 υπομονάδων που ενεργούν μέσαως ενδιάμεσο μεταξύ της ρυθμιστικής πρωτεΐνης και της RNA πολυμεράσης. Η αλληλουχία των αλληλεπιδράσεων είναι ξεχωριστή για κάθε γονίδιο και τον αντίστοιχο παράγοντα του.
Η ρύθμιση της επιμήκυνσης πραγματοποιείται λόγω της αλληλεπίδρασης του παράγοντα με την πρωτεΐνη P-Tef-b, η οποία βοηθά την πολυμεράση RNA να ξεπεράσει την παύση που σχετίζεται με τον προαγωγέα.
Λειτουργικές δομές του TF
Οι παράγοντες μεταγραφής έχουν μια αρθρωτή δομή και εκτελούν τη δουλειά τους μέσω τριών λειτουργικών τομέων:
- σύνδεση DNA (DBD) - απαιτείται για την αναγνώριση και την αλληλεπίδραση με τη ρυθμιστική περιοχή του γονιδίου.
- Trans-activating (TAD) – επιτρέπει την αλληλεπίδραση με άλλες ρυθμιστικές πρωτεΐνες, συμπεριλαμβανομένων των παραγόντων μεταγραφής.
- Αναγνώριση σήματος (SSD) - απαιτείται για την αντίληψη και τη μετάδοση ρυθμιστικών σημάτων.
Με τη σειρά του, ο τομέας δέσμευσης DNA έχει πολλούς τύπους. Τα κύρια κίνητρα στη δομή του περιλαμβάνουν:
- "δάχτυλα ψευδάργυρου";
- homeodomain;
- "β"-επίπεδα;
- loops;
- "κεραυνός λευκίνης";
- spiral-loop-spiral;
- spiral-turn-spiral.
Χάρη σε αυτόν τον τομέα, ο μεταγραφικός παράγοντας "διαβάζει" την αλληλουχία νουκλεοτιδίων DNA με τη μορφή ενός σχεδίου στην επιφάνεια της διπλής έλικας. Λόγω αυτού, είναι δυνατή η ειδική αναγνώριση ορισμένων ρυθμιστικών στοιχείων.
Η αλληλεπίδραση των μοτίβων με την έλικα του DNA βασίζεται στην ακριβή αντιστοιχία μεταξύ των επιφανειών αυτώνμόρια.
Ρύθμιση και σύνθεση TF
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να ρυθμίσετε την επίδραση των παραγόντων μεταγραφής στη μεταγραφή. Αυτά περιλαμβάνουν:
- ενεργοποίηση - αλλαγή στη λειτουργικότητα του παράγοντα σε σχέση με το DNA λόγω φωσφορυλίωσης, σύνδεσης συνδέτη ή αλληλεπίδρασης με άλλες ρυθμιστικές πρωτεΐνες (συμπεριλαμβανομένου του TF);
- μετατόπιση - μεταφορά ενός παράγοντα από το κυτταρόπλασμα στον πυρήνα;
- διαθεσιμότητα της θέσης δέσμευσης - εξαρτάται από τον βαθμό συμπύκνωσης της χρωματίνης (στην κατάσταση της ετεροχρωματίνης, το DNA δεν είναι διαθέσιμο για TF);
- ένα σύμπλεγμα μηχανισμών που είναι επίσης χαρακτηριστικός άλλων πρωτεϊνών (ρύθμιση όλων των διεργασιών από τη μεταγραφή έως τη μετα-μεταφραστική τροποποίηση και τον ενδοκυτταρικό εντοπισμό).
Η τελευταία μέθοδος καθορίζει την ποσοτική και ποιοτική σύνθεση των παραγόντων μεταγραφής σε κάθε κύτταρο. Ορισμένα TF είναι σε θέση να ρυθμίζουν τη σύνθεσή τους σύμφωνα με τον κλασικό τύπο ανάδρασης, όταν το δικό τους προϊόν γίνεται αναστολέας της αντίδρασης. Σε αυτή την περίπτωση, μια ορισμένη συγκέντρωση του παράγοντα σταματά τη μεταγραφή του γονιδίου που τον κωδικοποιεί.
Γενικοί παράγοντες μεταγραφής
Αυτοί οι παράγοντες είναι απαραίτητοι για την έναρξη της μεταγραφής οποιωνδήποτε γονιδίων και χαρακτηρίζονται στην ονοματολογία ως TFl, TFll και TFlll ανάλογα με τον τύπο της RNA πολυμεράσης με την οποία αλληλεπιδρούν. Κάθε παράγοντας αποτελείται από πολλές υπομονάδες.
Τα βασικά TF εκτελούν τρεις κύριες λειτουργίες:
- σωστή θέση της RNA πολυμεράσης στον προαγωγέα;
- ξετύλιξη των αλυσίδων DNA στην περιοχή έναρξης της μεταγραφής,
- απελευθέρωση πολυμεράσης απόπροαγωγέας τη στιγμή της μετάβασης στην επιμήκυνση;
Ορισμένες υπομονάδες βασικών μεταγραφικών παραγόντων συνδέονται με ρυθμιστικά στοιχεία προαγωγέα. Το πιο σημαντικό είναι το κουτί TATA (δεν είναι χαρακτηριστικό όλων των γονιδίων), που βρίσκεται σε απόσταση «-35» νουκλεοτιδίων από το σημείο έναρξης. Άλλες θέσεις δέσμευσης περιλαμβάνουν τις αλληλουχίες INR, BRE και DPE. Ορισμένοι TF δεν έρχονται σε άμεση επαφή με το DNA.
Η ομάδα των κύριων παραγόντων μεταγραφής της RNA πολυμεράσης ll περιλαμβάνει TFllD, TFllB, TFllF, TFllE και TFllH. Το λατινικό γράμμα στο τέλος του χαρακτηρισμού υποδεικνύει τη σειρά ανίχνευσης αυτών των πρωτεϊνών. Έτσι, ο παράγοντας TFlllA, που ανήκει στην lll RNA πολυμεράση, ήταν ο πρώτος που απομονώθηκε.
| Όνομα | Αριθμός υπομονάδων πρωτεΐνης | Λειτουργία |
| TFllD | 16 (TBP +15 TAF) | TBP δεσμεύεται στο πλαίσιο TATA και τα TAF αναγνωρίζουν άλλες αλληλουχίες προαγωγέα |
| TFllB | 1 | Αναγνωρίζει το στοιχείο BRE, προσανατολίζει με ακρίβεια την πολυμεράση στο σημείο έναρξης |
| TFllF | 3 | Σταθεροποιεί την αλληλεπίδραση πολυμεράσης με TBP και TFllB, διευκολύνει τη σύνδεση των TFllE και TFllH |
| TFllE | 2 | Σύνδεση και προσαρμογή TFllH |
| TFllH | 10 | Διαχωρίζει τις αλυσίδες DNA στο σημείο έναρξης, ελευθερώνει το ένζυμο σύνθεσης RNA από τον υποκινητή και τους κύριους μεταγραφικούς παράγοντες (βιοχημείαΗ διαδικασία βασίζεται στη φωσφορυλίωση της Cer5-C-τελικής περιοχής της RNA πολυμεράσης) |
Η συναρμολόγηση του βασικού TF πραγματοποιείται μόνο με τη βοήθεια ενός ενεργοποιητή, ενός μεσολαβητή και πρωτεϊνών που τροποποιούν τη χρωματίνη.
Specific TF
Μέσω του ελέγχου της γενετικής έκφρασης, αυτοί οι μεταγραφικοί παράγοντες ρυθμίζουν τις βιοσυνθετικές διαδικασίες τόσο των μεμονωμένων κυττάρων όσο και ολόκληρου του οργανισμού, από την εμβρυογένεση έως τη λεπτή φαινοτυπική προσαρμογή στις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες. Η σφαίρα επιρροής του TF περιλαμβάνει 3 κύρια μπλοκ:
- ανάπτυξη (εμβρυο- και οντογένεση);
- κύκλος κυττάρων;
- ανταπόκριση σε εξωτερικά σήματα.
Μια ειδική ομάδα μεταγραφικών παραγόντων ρυθμίζει τη μορφολογική διαφοροποίηση του εμβρύου. Αυτό το σετ πρωτεΐνης κωδικοποιείται από μια ειδική συναινετική ακολουθία 180 bp που ονομάζεται homeobox.
Για να καθοριστεί ποιο γονίδιο θα πρέπει να μεταγραφεί, η ρυθμιστική πρωτεΐνη πρέπει να «βρει» και να συνδεθεί σε μια συγκεκριμένη θέση DNA που λειτουργεί ως γενετικός διακόπτης (ενισχυτής, σιγαστήρας κ.λπ.). Κάθε τέτοια αλληλουχία αντιστοιχεί σε έναν ή περισσότερους σχετικούς μεταγραφικούς παράγοντες που αναγνωρίζουν την επιθυμητή θέση λόγω της σύμπτωσης των χημικών διαμορφώσεων ενός συγκεκριμένου εξωτερικού τμήματος της έλικας και του τομέα δέσμευσης DNA (αρχή κλειδώματος κλειδιού). Για αναγνώριση, χρησιμοποιείται μια περιοχή της πρωτογενούς δομής του DNA που ονομάζεται κύρια αύλακα.
Μετά τη δέσμευση στη δράση του DNAΗ πρωτεΐνη ενεργοποιητή ενεργοποιεί μια σειρά διαδοχικών βημάτων που οδηγούν στη συναρμολόγηση του συμπλέγματος προεκκινητή. Το γενικευμένο σχήμα αυτής της διαδικασίας είναι το εξής:
- Σύνδεση ενεργοποιητή με χρωματίνη στην περιοχή του προαγωγέα, στρατολόγηση συμπλεγμάτων αναδιάταξης που εξαρτώνται από το ATP.
- Αναδιάταξη χρωματίνης, ενεργοποίηση πρωτεϊνών τροποποίησης ιστόνης.
- Ομοιοπολική τροποποίηση ιστονών, έλξη άλλων πρωτεϊνών ενεργοποιητών.
- Δέσμευση πρόσθετων ενεργοποιητικών πρωτεϊνών στη ρυθμιστική περιοχή του γονιδίου.
- Συμμετοχή ενός διαμεσολαβητή και γενικής TF.
- Συναρμολόγηση του συμπλέγματος προ-έναρξης στον προαγωγέα.
- Επίδραση άλλων πρωτεϊνών ενεργοποιητών, αναδιάταξη των υπομονάδων του συμπλέγματος προ-έναρξης.
- Έναρξη μεταγραφής.
Η σειρά αυτών των συμβάντων μπορεί να διαφέρει από γονίδιο σε γονίδιο.
Σε έναν τόσο μεγάλο αριθμό μηχανισμών ενεργοποίησης αντιστοιχεί ένα εξίσου ευρύ φάσμα μεθόδων καταστολής. Δηλαδή, αναστέλλοντας ένα από τα στάδια στον δρόμο προς την έναρξη, η ρυθμιστική πρωτεΐνη μπορεί να μειώσει την αποτελεσματικότητά της ή να την εμποδίσει εντελώς. Τις περισσότερες φορές, ο καταστολέας ενεργοποιεί πολλούς μηχανισμούς ταυτόχρονα, διασφαλίζοντας την απουσία μεταγραφής.
Συντονισμένος έλεγχος των γονιδίων
Παρά το γεγονός ότι κάθε μεταγραφόνιο έχει το δικό του ρυθμιστικό σύστημα, οι ευκαρυώτες έχουν έναν μηχανισμό που επιτρέπει, όπως τα βακτήρια, να ξεκινήσουν ή να σταματήσουν ομάδες γονιδίων που στοχεύουν στην εκτέλεση μιας συγκεκριμένης εργασίας. Αυτό επιτυγχάνεται με έναν καθοριστικό παράγοντα μεταγραφής που ολοκληρώνει τους συνδυασμούςάλλα ρυθμιστικά στοιχεία απαραίτητα για τη μέγιστη ενεργοποίηση ή καταστολή του γονιδίου.
Σε μεταγραφές που υπόκεινται σε τέτοια ρύθμιση, η αλληλεπίδραση διαφορετικών συστατικών οδηγεί στην ίδια πρωτεΐνη, η οποία δρα ως ο προκύπτων φορέας. Επομένως, η ενεργοποίηση ενός τέτοιου παράγοντα επηρεάζει πολλά γονίδια ταυτόχρονα. Το σύστημα λειτουργεί βάσει της αρχής ενός καταρράκτη.
Το σχήμα συντονισμένου ελέγχου μπορεί να εξεταστεί στο παράδειγμα της οντογενετικής διαφοροποίησης των κυττάρων των σκελετικών μυών, οι πρόδρομοι των οποίων είναι οι μυοβλάστες.
Η μεταγραφή των γονιδίων που κωδικοποιούν τη σύνθεση πρωτεϊνών χαρακτηριστικών ενός ώριμου μυϊκού κυττάρου ενεργοποιείται από οποιονδήποτε από τους τέσσερις μυογενείς παράγοντες: MyoD, Myf5, MyoG και Mrf4. Αυτές οι πρωτεΐνες ενεργοποιούν τη σύνθεση του εαυτού τους και μεταξύ τους και περιλαμβάνουν επίσης τα γονίδια για τον πρόσθετο παράγοντα μεταγραφής Mef2 και τις δομικές πρωτεΐνες των μυών. Το Mef2 εμπλέκεται στη ρύθμιση της περαιτέρω διαφοροποίησης των μυοβλαστών, ενώ ταυτόχρονα διατηρεί τη συγκέντρωση των μυογενών πρωτεϊνών μέσω ενός μηχανισμού θετικής ανάδρασης.
