Факторы транскрипции у эукариот

Факторы транскрипции — белки, контролирующие процесс синтеза иРНК на матрице ДНК (транскрипцию) путём связывания со специфичными участками ДНК. Транскрипционные факторы выполняют свою функцию либо самостоятельно, либо в комплексе с другими белками.

Они обеспечивают снижение (репрессоры) или повышение (активаторы) константы связывания РНК-полимеразы с регуляторными последовательностями регулируемого гена.

Определяющая черта факторов транскрипции — наличие в их составе одного или более ДНК-связывающих доменов, которые взаимодействуют с характерными участками ДНК, расположенными в регуляторных областях генов. Другие белки, играющие ключевую роль в регуляции экспрессии генов, не имеют ДНК-связывающих доменов.

В геноме человека обнаружено более 2600 белков, имеющих ДНК-связывающий домен, и большинство из них предположительно являются факторами транскрипции. Следовательно, около 10 % всех генов в геноме кодируют транскрипционные факторы. Таким образом, они являются самым большим семейством белков человека. Более того, активность многих генов регулируется корпоративным взаимодействием большого числа различных факторов транскрипции, что позволяет обеспечить каждому из генов уникальный способ регуляции в процессе развития организма.

 

Факторы транскрипции являются модульными по структуре и содержат следующие домены:

ДНК-связывающий  домен (DBD) — взаимодействует со специфичными последовательностями ДНК, характерными для промоторов и энхансеров. Специфичность распознавания определенных последовательностей определяет набор генов, подверженных регуляции данным ТФ;

 

трансактивирующий домен (TAD) — содержит участки связывания других белков, например, транскрипционных корегуляторов ;

 

сигналраспознающий  домен (SSD) (например, лиганд-связывающий домен), который чувствителен к внешнем сигналам и отвечающим за передачу сигнала к другим компонентам транскрипционного комплекса, что вызывает повышение или понижение уровня экспрессии.

 

 

Связывание с ДНК:

Участки ДНК, которые взаимодействуют  с факторами транскрипции, называются сайтами связывания ТФ. Взаимодействие осуществляется за счет электростатических сил, водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса. За счет действия данных сил, которое определяется пространственной структурой белковой молекулы, ТФ связываться только с определенными участками ДНК. Не все нуклеотидные основания в ДНК, входящие в сайт связывания ТФ, имеют одинаковую значимость при взаимодействии с белком. Вследствие этого, ТФ обычно связывают не участок со строго определенной первичной структурой, а группу структур с близким сходством, каждую — с разной степенью сродства. Например, хотя консенсусной последовательностью сайта связывания ТАТА-связывающих белков является ТАТАААА, они могут взаимодействовать также с ТАТАТАТ и ТАТАТАА.

Вследствие того, что ТФ взаимодействуют  с короткими участками ДНК  гетерогенной структуры, потенциальные  сайты связывания ТФ могут возникать  случайно в достаточно протяженной  молекуле ДНК. Маловероятно, однако, что  ТФ взаимодействуют со всеми подходящими  элементами в геноме.

Различные ограничения, такие как  доступность сайтов и наличие  кофакторов, могут способствовать направлению  ТФ в нужные участки ДНК. Таким  образом, затруднительно на основании  последовательности генома достоверно предсказать реальное место посадки  ТФ на ДНК in vivo.

 

Регуляция:

Уровень накопления ТФ в клетке регулируется по той же схеме, что и у других белков за счет контроля транскрипции, деградации мРНК, трансляции, постпроцессинга белка, его внутриклеточной локализации и деградации. Возможна саморегуляция по принципу отрицательной обратной связи — ТФ репрессирует активность кодирующего его гена.

У эукариотических организмов процессы транскрипции и трансляции пространственно  разделены — они происходят в ядре и цитоплазме соответственно. После синтеза ТФ должны проникнуть в ядро, преодолев двойную мембрану. Многие белки, функционирующие в ядре, имеют сигнал ядерной локализации — специфичной участок полипептидной цепи, адресующий белок в ядро. Для многих ТФ транслокация является ключевым фактором в регуляции их активности. Важные классы ТФ, такие как некоторые ядерные рецепторы, должны сперва связать лиганд в цитоплазме и только потом транспортироваться в ядро.

 

ТФ могут быть активированы/деактивированны  путем воздействия на их сигнал-чувствительный домен различным образом:

*связывание лиганда — необходимой для функционирования субстанции, не входящий в состав полипептида (например, ионов Zn2+)

*фосфорилирование — многие ТФ должны быть фосфорилированы для получения возможности связывать ДНК.

*взаимодействие с другими ТФ  и/или корегуляторными белками.

 

У эукариот гены, не транскрибируемые постоянно, часто находятся в гетерохроматине (участках ДНК, плотно упакованных за счет связывания гистонов и организованных в компактные хроматиновые фибриллы). ДНК в составе гетерохроматина недоступна для многих факторов транскрипции. Для того, чтобы ТФ могли связаться с ДНК, гетерохроматин должен быть трансформирован в эухроматин, обычно путем модификаций гистонов. Также для связывания ТФ с ДНК важную роль играет свобода хроматина от нуклеосом. Хроматин свободный от нуклеосом называется открытым хроматином и значительно чаще связывает факторы транскрипции, чем связанный с нуклеосомами хроматин. Перераспределение нуклеосом осуществляют факторы ремоделирования хроматина. Сайт связывания ТФ на ДНК может быть недоступным и в случае, если он связан другим фактором транскрипции. Пары факторов транскрипции могут играть антагонистическую роль (активатор — репрессор) при регуляции активности одного гена.

 

Большинство ТФ не работают в одиночку. Часто для активации транскрипции гена с его регуляторными элементами должно связаться большое количество ТФ. Связывании ТФ вызывает привлечение  промежуточных белков, таких как  кофакторы, что приводит к сборке преинициационного комплекса и  посадке на промотор РНК-полимеразы.

 

 

 

 

 

 

 

Классификация:

Главные факторы транскрипции (GTFs), вовлеченные в образование инициационного комплекса. Не связывают ДНК непосредственно, а входят в состав комплекса инициации транскрипции (преинициирующего комплекса), который напрямую взаимодействует с РНК-полимеразой. Наиболее важные из них — TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, и TFIIH. Они присутствуют во всех клетках и взаимодействуют с кором промотора генов, транскрибируемых РНК-полимеразой второго класса.

ТФ, взаимодействующие с upstream-участками ДНК, (областями, расположенными до промотора, лежащими относительно него с другой стороны от кодирующей области гена).

Индуцируемые ТФ сходны с предыдущим классом, но требуют активации либо ингибирования.

 

1. Конститутивные — присутствуют всегда во всех клетках — главные факторы транскрипции, Sp1, NF1, CCAAT.
2. Активируемые (активны в определенных условиях)
1. Участвующие в развитии организма (клетко-специфичные) — экспрессия строго контролируется, но, начав экспрессироваться, не требуют дополнительной активации — GATA, HNF, PIT-1, MyoD, Myf5, Hox, Winged Helix.
2. Сигнал-зависимые — требуют внешнего сигнала для активации
1. внеклеточные сигнал-зависимые — ядерные рецепторы
2. внутриклеточные сигнал-зависимые — активируются низкомолекулярными внутриклеточными соединениями — SREBP, p53, одиночные ядерные рецепторы
3. мембраносвязанные рецептор-зависимые — фосфорилируются киназами сигнального каскада
1. резидентные ядерные факторы — находятся в ядре независимо от активации — CREB, AP-1, Mef2
2. латентные цитоплазматические факторы — в неактивном состоянии локализованы в цитоплазме, после активации транспортируются в ядро — STAT, R-SMAD, NF-kB, Notch, TUBBY, NFAT.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функции:

Регуляция базальной экспрессии генов 

Фоновая транскрипционная активность обеспечивается набором ТФ, общим  для всех генов. Важный класс эукариотических факторов транскрипции — GTFs (general transcription factors). Многие из его представителей не связывают ДНК непосредственно, а входят в состав комплекса инициации транскрипции (преинициирующего комплекса), который напрямую взаимодействует с РНК-полимеразой. Наиболее распространенными GTF являются TFIIA, TFIIB, TFIID (связываются с т. н. ТАТА-боксом (элементом промотора)), TFIIE, TFIIF, and TFIIH.

Помимо ТФ, необходимых для экспрессии всех генов, существуют также специфичные  факторы транскрипции, обеспечивающие включение/выключение определенных генов  в нужный момент.

 

Регуляция онтогенеза 

Многие ТФ многоклеточных организмов вовлечены в обеспечение их развития. Действуя в соответствии с генетической программой и/или в ответ на внешние воздействия, они инициируют или подавляют транскрипцию определенных генов, что влечет за собой изменения в клеточной морфологии, клеточную дифференциацию, морфогенез, органогенез и т. д. Например, семейство гомеобоксных ТФ критично для формирования правильной морфологии тела у организмов от дрозофилы до человека. Мутации генов этих белков (гомеозисные мутации) у дрозофил приводят к серьёзным нарушениям в дифференцировке сегментов тела данных насекомых (например, развитие ног вместо усиков).

Другой пример данной группы ТФ — продукт гена полопределяющего региона Y (SRY, Sex-determining Region Y), который играет важную роль в детерминации пола человека.

Ответ на внеклеточные сигналы 

Согласованная регуляция взаимодействия клеток многоклеточного организма  осуществляется путем высвобождения  специальных молекул (гормонов, цитокинов и т. п.), которые вызывают сигнальный каскад в клетках-мишенях. В случае, если сигнал вызывает изменение уровня экспрессии определенных генов, конечным звеном каскада часто оказываются ТФ. Эстрогеновый сигнальный путь — пример короткого каскада, включающего транскрипционный фактор рецептора эстрогена: эстроген секретируется тканями плаценты и яичника, преодолеваетплазматическую мембрану реципиентных клеток, и связывается со своим рецептором в цитоплазме. Рецептор эстрогена проникает в ядро и связывает специфичный участок ДНК, изменяя регуляции транскрипции соответствующего гена.

Ответ на изменение  окружающей среды 

ТФ — не единственные конечные звенья сигнальных каскадов, возникающих в ответ на различные внешние стимулы, но они тоже могут быть эффекторами в сигнальных каскадах, индуцируемых воздействием окружающей среды. Например, фактор теплового шока (HSF) активирует гены белков теплового шока, которые обеспечивают выживание при повышении температуры (например, шапероны), гипоксия-индуцируемый фактор (HIF) — при снижении концентрации кислорода; белок SREBP (sterol regulatory element binding protein) помогает поддерживать необходимое содержание липидов в клетках.

Контроль клеточного цикла 

Многие ТФ, особенно онкогены и онкосупрессоры, участвуют в  регуляции клеточного цикла. Они определяют переход от одной фазы клеточного цикла к другой, частоту делений и интенсивность роста. Один из наиболее известных подобных ТФ — онкоген Myc, играющий важную роль в росте клеток и направлении их в апоптоз.

 

 

 

По материалам сети Интернет.