In allen Organismen (mit Ausnahme einiger Viren) erfolgt die Umsetzung des genetischen Materials nach dem DNA-RNA-Protein-System. In der ersten Phase werden Informationen von einer Nukleinsäure auf eine andere umgeschrieben (transkribiert). Die Proteine, die diesen Prozess regulieren, werden Transkriptionsfaktoren genannt.
Was ist Transkription
Transkription ist die Biosynthese eines RNA-Moleküls basierend auf einer DNA-Matrize. Dies ist aufgrund der Komplementarität bestimmter stickstoffh altiger Basen möglich, aus denen Nukleinsäuren bestehen. Die Synthese wird von spezialisierten Enzymen - RNA-Polymerasen - durchgeführt und von vielen regulatorischen Proteinen kontrolliert.
Es wird nicht das gesamte Genom auf einmal transkribiert, sondern nur ein bestimmter Teil davon, Transkripton genannt. Letzteres umfasst einen Promotor (die Anheftungsstelle der RNA-Polymerase) und einen Terminator (eine Sequenz, die den Abschluss der Synthese aktiviert).
Das prokaryotische Transkript ist ein Operon, das aus mehreren Strukturgenen (Cistrons) besteht. Darauf aufbauend wird polycistronische RNA synthetisiert,Informationen über die Aminosäuresequenz einer Gruppe funktionell verwandter Proteine enth alten. Das eukaryotische Transkript enthält nur ein Gen.
Die biologische Rolle des Transkriptionsprozesses ist die Bildung von Template-RNA-Sequenzen, auf deren Grundlage die Proteinsynthese (Translation) in Ribosomen erfolgt.
RNA-Synthese in Prokaryoten und Eukaryoten
Das Schema der RNA-Synthese ist für alle Organismen gleich und umfasst 3 Stufen:
- Initiierung - Bindung der Polymerase an den Promotor, Aktivierung des Prozesses.
- Verlängerung - Verlängerung der Nukleotidkette in Richtung vom 3'- zum 5'-Ende mit dem Schließen von Phosphodiesterbindungen zwischen stickstoffh altigen Basen, die komplementär zu DNA-Monomeren ausgewählt werden.
- Terminierung ist der Abschluss des Syntheseprozesses.
In Prokaryoten werden alle Arten von RNA von einer RNA-Polymerase transkribiert, die aus fünf Protomeren (β-, β'-, ω- und zwei α-Untereinheiten) besteht, die zusammen ein Kernenzym bilden, das in der Lage ist, die Kette von Ribonukleotiden zu verlängern. Es gibt auch eine zusätzliche Einheit σ, ohne die die Bindung der Polymerase an den Promotor unmöglich ist. Der Komplex aus Kern und Sigmafaktor wird Holoenzym genannt.
Trotz der Tatsache, dass die σ-Untereinheit nicht immer mit dem Kern assoziiert ist, wird sie als Teil der RNA-Polymerase betrachtet. Im dissoziierten Zustand kann Sigma nicht an den Promotor binden, sondern nur als Teil des Holoenzyms. Nach Abschluss der Initiation trennt sich dieses Protomer vom Kern und wird durch einen Elongationsfaktor ersetzt.
FunktionProkaryoten ist eine Kombination aus Translations- und Transkriptionsprozessen. Ribosomen verbinden sich sofort mit der RNA, die mit der Synthese beginnt, und bilden eine Aminosäurekette. Die Transkription stoppt aufgrund der Bildung einer Haarnadelstruktur in der Terminatorregion. In diesem Stadium wird der DNA-Polymerase-RNA-Komplex abgebaut.
In eukaryotischen Zellen erfolgt die Transkription durch drei Enzyme:
- RNA-Polymerase l – synthetisiert 28S- und 18S-ribosomale RNA.
- RNA-Polymerase II – transkribiert Gene, die für Proteine und kleine Kern-RNAs kodieren.
- RNA-Polymerase III - verantwortlich für die Synthese von tRNA und 5S-rRNA (kleine Untereinheit von Ribosomen).
Keines dieser Enzyme ist in der Lage, die Transkription ohne die Beteiligung spezifischer Proteine zu initiieren, die eine Interaktion mit dem Promotor ermöglichen. Das Wesen des Prozesses ist derselbe wie bei Prokaryoten, aber jede Stufe ist viel komplizierter, da eine größere Anzahl funktioneller und regulatorischer Elemente, einschließlich Chromatin-modifizierender, beteiligt sind. Allein in der Initiationsphase sind etwa hundert Proteine beteiligt, darunter eine Reihe von Transkriptionsfaktoren, während bei Bakterien eine Sigma-Untereinheit ausreicht, um an den Promotor zu binden, und manchmal die Hilfe eines Aktivators erforderlich ist.
Der wichtigste Beitrag der biologischen Rolle der Transkription bei der Biosynthese verschiedener Arten von Proteinen bestimmt die Notwendigkeit eines strengen Systems zur Kontrolle des Genlesens.
Transkriptionsregulation
In keiner Zelle ist das genetische Material vollständig verwirklicht: Nur ein Teil der Gene wird transkribiert, während der Rest inaktiv ist. Dies ist dank des Komplexes möglichRegulationsmechanismen, die bestimmen, aus welchen DNA-Abschnitten und in welcher Menge RNA-Sequenzen synthetisiert werden.
Bei einzelligen Organismen hat die unterschiedliche Aktivität von Genen einen adaptiven Wert, während sie bei vielzelligen Organismen auch die Prozesse der Embryogenese und Ontogenese bestimmt, wenn verschiedene Arten von Geweben auf der Grundlage eines Genoms gebildet werden.
Die Genexpression wird auf mehreren Ebenen kontrolliert. Der wichtigste Schritt ist die Regulation der Transkription. Die biologische Bedeutung dieses Mechanismus besteht darin, die erforderliche Menge verschiedener Proteine aufrechtzuerh alten, die eine Zelle oder ein Organismus zu einem bestimmten Zeitpunkt ihrer Existenz benötigt.
Es gibt eine Anpassung der Biosynthese auf anderen Ebenen, wie z. B. Verarbeitung, Translation und Transport von RNA vom Zellkern zum Zytoplasma (letzteres fehlt bei Prokaryoten). Wenn sie positiv reguliert werden, sind diese Systeme für die Produktion eines Proteins verantwortlich, das auf dem aktivierten Gen basiert, was die biologische Bedeutung der Transkription ist. Die Kette kann jedoch jederzeit ausgesetzt werden. Einige regulatorische Merkmale in Eukaryoten (alternative Promotoren, Spleißen, Modifikation von Polyadenellierungsstellen) führen zum Auftreten verschiedener Varianten von Proteinmolekülen, die auf derselben DNA-Sequenz basieren.
Da die Bildung von RNA der erste Schritt bei der Entschlüsselung genetischer Informationen auf dem Weg zur Proteinbiosynthese ist, ist die biologische Rolle des Transkriptionsprozesses bei der Veränderung des Zellphänotyps viel bedeutender als die Regulation der Verarbeitung oder Translation.
Bestimmung der Aktivität bestimmter Gene wie inSowohl bei Prokaryoten als auch bei Eukaryoten tritt es im Stadium der Initiation mit Hilfe spezifischer Sch alter auf, zu denen regulatorische Regionen von DNA und Transkriptionsfaktoren (TFs) gehören. Der Betrieb solcher Sch alter ist nicht autonom, sondern unterliegt der strengen Kontrolle anderer zellularer Systeme. Es gibt auch Mechanismen der unspezifischen Regulation der RNA-Synthese, die den normalen Ablauf von Initiation, Elongation und Termination sicherstellen.
Das Konzept der Transkriptionsfaktoren
Im Gegensatz zu den regulatorischen Elementen des Genoms sind Transkriptionsfaktoren chemisch Proteine. Durch die Bindung an spezifische DNA-Regionen können sie den Transkriptionsprozess aktivieren, hemmen, beschleunigen oder verlangsamen.
Die Transkriptionsfaktoren von Prokaryoten und Eukaryoten können je nach Wirkung in zwei Gruppen eingeteilt werden: Aktivatoren (initiieren oder intensivieren die RNA-Synthese) und Repressoren (unterdrücken oder hemmen den Prozess). Derzeit wurden mehr als 2000 TFs in verschiedenen Organismen gefunden.
Transkriptionsregulation bei Prokaryoten
In Prokaryoten erfolgt die Kontrolle der RNA-Synthese hauptsächlich in der Initiationsphase aufgrund der Wechselwirkung von TF mit einer bestimmten Region des Transkripts - einem Operator, der sich neben dem Promotor befindet (manchmal mit ihm schneidet) und, tatsächlich ist es eine Landestelle für das regulatorische Protein (Aktivator oder Repressor). Bakterien zeichnen sich durch eine andere Möglichkeit der differentiellen Kontrolle von Genen aus - die Synthese alternativer σ-Untereinheiten, die für verschiedene Gruppen von Promotoren bestimmt sind.
Teilweise Operonausdruckkann in den Stadien der Elongation und Termination reguliert werden, jedoch nicht durch DNA-bindende TFs, sondern durch Proteine, die mit RNA-Polymerase interagieren. Dazu gehören Gre-Proteine und die Anti-Terminator-Faktoren Nus und RfaH.
Die Elongation und Termination der Transkription in Prokaryoten wird in gewisser Weise durch die parallele Proteinsynthese beeinflusst. Bei Eukaryoten sind sowohl diese Prozesse selbst als auch die Transkriptions- und Translationsfaktoren räumlich getrennt, also funktionell nicht verwandt.
Aktivatoren und Repressoren
Prokaryoten haben zwei Mechanismen der Transkriptionsregulation in der Initiationsphase:
- positiv - durchgeführt von Aktivatorproteinen;
- negativ - kontrolliert durch Repressoren.
Wenn der Faktor positiv reguliert ist, aktiviert die Bindung des Faktors an den Operator das Gen, und wenn es negativ ist, sch altet es es aus. Die Fähigkeit eines regulatorischen Proteins, an DNA zu binden, hängt von der Bindung eines Liganden ab. Die Rolle der letzteren spielen normalerweise niedermolekulare zelluläre Metaboliten, die in diesem Fall als Coaktivatoren und Corepressoren wirken.
Der Wirkmechanismus des Repressors beruht auf der Überlappung von Promotor- und Operatorregionen. In Operons mit dieser Struktur schließt die Anheftung eines Proteinfaktors an die DNA einen Teil der Landestelle für die RNA-Polymerase, wodurch letztere daran gehindert wird, die Transkription einzuleiten.
Aktivatoren wirken auf schwache Promotoren mit geringer Funktionalität, die von RNA-Polymerasen schlecht erkannt oder schwer zu schmelzen sind (getrennte HelixsträngeDNA, die zur Initiierung der Transkription erforderlich ist). Durch die Verbindung mit dem Operator interagiert der Proteinfaktor mit der Polymerase, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Initiation signifikant erhöht wird. Aktivatoren können die Transkriptionsintensität um das 1000-fache steigern.
Einige prokaryotische TFs können abhängig von der Position des Operators in Bezug auf den Promotor sowohl als Aktivatoren als auch als Repressoren wirken: Wenn sich diese Regionen überlappen, hemmt der Faktor die Transkription, andernfalls löst er aus.
| Ligandenfunktion bezüglich des Faktors | Ligandenzustand | Negative Regulierung | Positive Regulation |
| Trennung von DNA | Beitreten | Entfernung des Repressorproteins, Aktivierung des Gens | Entfernung des Aktivatorproteins, Herunterfahren von Genen |
| Fügt Faktor zur DNA hinzu | Löschen | Repressorentfernung, Transkriptionseinschluss | Aktivator entfernen, Transkription aussch alten |
Negative Regulation kann am Beispiel des Tryptophan-Operons des Bakteriums E. coli betrachtet werden, das durch die Lokalisierung des Operators innerhalb der Promotorsequenz gekennzeichnet ist. Das Repressorprotein wird durch die Anlagerung von zwei Tryptophanmolekülen aktiviert, die den Winkel der DNA-Bindungsdomäne so verändern, dass sie in die große Furche der Doppelhelix eintreten kann. Bei einer niedrigen Tryptophankonzentration verliert der Repressor seinen Liganden und wird wieder inaktiv. Mit anderen Worten, die Häufigkeit der Transkriptionsinitiierungumgekehrt proportional zur Metabolitenmenge.
Einige bakterielle Operone (z. B. Laktose) kombinieren positive und negative Regulationsmechanismen. Ein solches System ist notwendig, wenn ein Signal für eine rationale Kontrolle der Expression nicht ausreicht. Das Laktose-Operon codiert also Enzyme, die Laktose, eine alternative Energiequelle, die weniger profitabel ist als Glukose, in die Zelle transportieren und dort abbauen. Daher bindet das CAP-Protein nur bei einer geringen Konzentration an DNA und startet die Transkription. Dies ist jedoch nur in Gegenwart von Lactose sinnvoll, deren Fehlen zur Aktivierung des Lac-Repressors führt, der den Zugang der Polymerase zum Promotor auch in Gegenwart einer funktionellen Form des Aktivatorproteins blockiert.
Aufgrund der Operonstruktur in Bakterien werden mehrere Gene von einer regulatorischen Region und 1-2 TFs kontrolliert, während in Eukaryoten ein einzelnes Gen eine große Anzahl von regulatorischen Elementen hat, von denen jedes von vielen anderen abhängig ist Faktoren. Diese Komplexität entspricht dem hohen Organisationsgrad von Eukaryoten und insbesondere vielzelligen Organismen.
Regulation der mRNA-Synthese in Eukaryoten
Die Kontrolle der eukaryotischen Genexpression wird durch die kombinierte Wirkung zweier Elemente bestimmt: Proteintranskriptionsfaktoren (TF) und regulatorische DNA-Sequenzen, die sich neben dem Promotor, viel höher als dieser, in Introns oder nach dem befinden können Gen (bedeutet die codierende Region und nicht ein Gen in seiner vollen Bedeutung).
Einige Bereiche fungieren als Sch alter, andere interagieren nichtdirekt mit TF, sondern geben dem DNA-Molekül die Flexibilität, die für die Bildung einer schleifenartigen Struktur erforderlich ist, die den Prozess der transkriptionellen Aktivierung begleitet. Solche Bereiche werden Spacer genannt. Alle regulatorischen Sequenzen bilden zusammen mit dem Promotor die Genkontrollregion.
Es ist erwähnenswert, dass die Wirkung der Transkriptionsfaktoren selbst nur Teil einer komplexen mehrstufigen Regulation der genetischen Expression ist, bei der sich eine große Anzahl von Elementen zu dem resultierenden Vektor addiert, der bestimmt, ob RNA wird schließlich aus einer bestimmten Region des Genoms synthetisiert werden.
Ein weiterer Faktor bei der Kontrolle der Transkription in der Kernzelle ist eine Veränderung der Chromatinstruktur. Hier ist sowohl eine Gesamtregulation (bereitgestellt durch die Verteilung von Heterochromatin- und Euchromatinregionen) als auch eine lokale Regulation, die mit einem spezifischen Gen verbunden ist, vorhanden. Damit die Polymerase funktioniert, müssen alle Ebenen der DNA-Verdichtung, einschließlich des Nukleosoms, eliminiert werden.
Die Vielf alt der Transkriptionsfaktoren in Eukaryoten ist mit einer Vielzahl von Regulatoren verbunden, zu denen Verstärker, Silencer (Enhancer und Silencer) sowie Adapterelemente und Isolatoren gehören. Diese Stellen können sich sowohl in der Nähe als auch in beträchtlicher Entfernung vom Gen befinden (bis zu 50.000 bp).
Enhancer, Schalldämpfer und Adapterelemente
Enhancer sind kurze sequentielle DNA, die in der Lage sind, die Transkription auszulösen, wenn sie mit einem regulatorischen Protein interagieren. Annäherung des Verstärkers an die Promotorregion des Genswird aufgrund der Bildung einer schleifenartigen DNA-Struktur durchgeführt. Die Bindung eines Aktivators an einen Enhancer stimuliert entweder den Aufbau des Initiationskomplexes oder hilft der Polymerase, mit der Verlängerung fortzufahren.
Der Enhancer hat eine komplexe Struktur und besteht aus mehreren Modulstellen, von denen jede ihr eigenes regulatorisches Protein hat.
Silencer sind DNA-Regionen, die die Möglichkeit einer Transkription unterdrücken oder ganz ausschließen. Der Wirkungsmechanismus eines solchen Sch alters ist noch unbekannt. Eine der vermuteten Methoden ist die Besetzung großer DNA-Regionen durch spezielle Proteine der SIR-Gruppe, die den Zugang zu Initiationsfaktoren blockieren. In diesem Fall werden alle Gene, die sich innerhalb weniger tausend Basenpaare vom Schalldämpfer befinden, ausgesch altet.
Adapterelemente in Kombination mit TFs, die an sie binden, bilden eine separate Klasse von genetischen Sch altern, die selektiv auf Steroidhormone, zyklisches AMP und Glukokortikoide reagieren. Dieser regulatorische Block ist verantwortlich für die Reaktion der Zelle auf Hitzeschock, Kontakt mit Metallen und bestimmten chemischen Verbindungen.
Unter den DNA-Kontrollregionen wird eine andere Art von Elementen unterschieden - Isolatoren. Dies sind spezifische Sequenzen, die verhindern, dass Transkriptionsfaktoren entfernte Gene beeinflussen. Der Wirkmechanismus von Isolatoren ist noch nicht aufgeklärt.
Eukaryotische Transkriptionsfaktoren
Wenn Transkriptionsfaktoren in Bakterien nur eine regulatorische Funktion haben, dann gibt es in Kernzellen eine ganze Gruppe von TFs, die Hintergrund-Initiation liefern, aber gleichzeitig direkt von der Bindung an abhängig sindDNA-regulatorische Proteine. Die Anzahl und Vielf alt der letzteren in Eukaryoten ist enorm. Somit beträgt im menschlichen Körper der Anteil an Sequenzen, die Protein-Transkriptionsfaktoren codieren, etwa 10 % des Genoms.
Bis heute sind eukaryotische TFs nicht gut verstanden, ebenso wie die Funktionsmechanismen genetischer Sch alter, deren Struktur viel komplizierter ist als die Modelle der positiven und negativen Regulation in Bakterien. Im Gegensatz zu letzteren wird die Aktivität der Transkriptionsfaktoren der Kernzellen nicht von einem oder zwei, sondern von Dutzenden und sogar Hunderten von Signalen beeinflusst, die sich gegenseitig verstärken, abschwächen oder ausschließen können.
Einerseits erfordert die Aktivierung eines bestimmten Gens eine ganze Gruppe von Transkriptionsfaktoren, andererseits kann ein regulatorisches Protein ausreichen, um die Expression mehrerer Gene durch den Kaskadenmechanismus auszulösen. Dieses ganze System ist ein komplexer Computer, der Signale aus verschiedenen Quellen (sowohl extern als auch intern) verarbeitet und ihre Effekte mit einem Plus- oder Minuszeichen zum Endergebnis hinzufügt.
Regulatorische Transkriptionsfaktoren in Eukaryoten (Aktivatoren und Repressoren) interagieren nicht mit dem Operator, wie in Bakterien, sondern mit Kontrollstellen, die über die DNA verstreut sind, und beeinflussen die Initiation durch Vermittler, die Mediatorproteine, Faktoren des Initiationskomplexes, sein können und Enzyme, die die Chromatinstruktur verändern.
Mit Ausnahme einiger TFs, die im Präinitiationskomplex enth alten sind, haben alle Transkriptionsfaktoren eine DNA-bindende Domäne, die unterscheidetsie von zahlreichen anderen Proteinen, die den normalen Ablauf der Transkription sicherstellen oder als Vermittler bei ihrer Regulation fungieren.
Jüngste Studien haben gezeigt, dass eukaryotische TFs nicht nur die Initiation, sondern auch die Verlängerung der Transkription beeinflussen können.
Sorte und Klassifikation
In Eukaryoten gibt es 2 Gruppen von Proteintranskriptionsfaktoren: basale (auch allgemein oder hauptsächlich genannt) und regulatorische. Erstere sind für die Anerkennung von Promotoren und die Schaffung des Präinitiationskomplexes verantwortlich. Erforderlich, um die Transkription zu starten. Diese Gruppe umfasst mehrere Dutzend Proteine, die immer in der Zelle vorhanden sind und die differenzielle Expression von Genen nicht beeinflussen.
Der Komplex der basalen Transkriptionsfaktoren ist ein Werkzeug, das in seiner Funktion der Sigma-Untereinheit in Bakterien ähnelt, nur komplexer und für alle Arten von Promotoren geeignet ist.
Faktoren eines anderen Typs beeinflussen die Transkription durch Interaktion mit regulatorischen DNA-Sequenzen. Da diese Enzyme genspezifisch sind, gibt es eine große Anzahl von ihnen. Durch die Bindung an Regionen spezifischer Gene kontrollieren sie die Sekretion bestimmter Proteine.
Die Klassifizierung von Transkriptionsfaktoren in Eukaryoten basiert auf drei Prinzipien:
- Wirkungsmechanismus;
- Funktionsbedingungen;
- Struktur der DNA-bindenden Domäne.
Gemäß dem ersten Merkmal gibt es 2 Klassen von Faktoren: basal (Interaktion mit dem Promotor) und Bindung an stromaufwärts gelegene Regionen (regulatorische Regionen, die sich stromaufwärts des Gens befinden). Diese ArtDie Klassifikation entspricht im Wesentlichen der funktionalen Einteilung von TF in Allgemeines und Spezifisches. Upstream-Faktoren werden je nach Notwendigkeit einer zusätzlichen Aktivierung in 2 Gruppen eingeteilt.
Entsprechend den Funktionsmerkmalen werden konstitutive TFs unterschieden (immer in jeder Zelle vorhanden) und induzierbar (nicht charakteristisch für alle Zelltypen und können bestimmte Aktivierungsmechanismen erfordern). Faktoren der zweiten Gruppe wiederum werden in zellspezifische (beteiligen sich an der Ontogenese, zeichnen sich durch strenge Expressionskontrolle aus, benötigen aber keine Aktivierung) und signalabhängige Faktoren unterteilt. Letztere werden nach Art und Wirkungsweise des aktivierenden Signals unterschieden.
Die strukturelle Klassifikation von Protein-Transkriptionsfaktoren ist sehr umfangreich und umfasst 6 Superklassen, die viele Klassen und Familien umfassen.
Funktionsprinzip
Die Funktion der Basalfaktoren ist eine Kaskadenanordnung verschiedener Untereinheiten mit der Bildung eines Initiationskomplexes und der Aktivierung der Transkription. Tatsächlich ist dieser Vorgang der letzte Schritt in der Wirkung des Aktivatorproteins.
Spezifische Faktoren können die Transkription in zwei Schritten regulieren:
- Montage des Initiationskomplexes;
- Übergang zur produktiven Verlängerung.
Im ersten Fall reduziert sich die Arbeit spezifischer TFs auf die primäre Umlagerung von Chromatin sowie die Rekrutierung, Orientierung und Modifikation des Mediators, der Polymerase und der Basalfaktoren am Promotor, was zur Aktivierung führt der Transkription. Das Hauptelement der Signalübertragung ist der Mediator - ein Komplex aus 24 Untereinheiten, die wirkenals Vermittler zwischen dem regulatorischen Protein und der RNA-Polymerase. Die Reihenfolge der Interaktionen ist für jedes Gen und seinen entsprechenden Faktor individuell.
Die Regulierung der Elongation erfolgt aufgrund der Wechselwirkung des Faktors mit dem P-Tef-b-Protein, das der RNA-Polymerase hilft, die mit dem Promotor verbundene Pause zu überwinden.
Funktionsstrukturen von TF
Transkriptionsfaktoren sind modular aufgebaut und verrichten ihre Arbeit über drei Funktionsbereiche:
- DNA-Bindung (DBD) - erforderlich für die Erkennung und Interaktion mit der regulatorischen Region des Gens.
- Transaktivierung (TAD) – ermöglicht die Interaktion mit anderen regulatorischen Proteinen, einschließlich Transkriptionsfaktoren.
- Signal-Recognizing (SSD) - erforderlich für die Wahrnehmung und Weiterleitung regulatorischer Signale.
Die DNA-bindende Domäne hat wiederum viele Typen. Die Hauptmotive in seiner Struktur sind:
- "Zinkfinger";
- homeodomain;
- "β"-Schichten;
- Schleifen;
- "Leucinblitz";
- spirale-schleife-spirale;
- spirale-wende-spirale.
Dank dieser Domäne "liest" der Transkriptionsfaktor die DNA-Nukleotidsequenz in Form eines Musters auf der Oberfläche der Doppelhelix. Dadurch ist eine gezielte Erkennung bestimmter regulatorischer Elemente möglich.
Die Interaktion von Motiven mit der DNA-Helix basiert auf der exakten Übereinstimmung zwischen den Oberflächen dieserMoleküle.
Regulation und Synthese von TF
Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Einfluss von Transkriptionsfaktoren auf die Transkription zu regulieren. Dazu gehören:
- Aktivierung - eine Änderung der Funktionalität des Faktors in Bezug auf DNA aufgrund von Phosphorylierung, Ligandenbindung oder Wechselwirkung mit anderen regulatorischen Proteinen (einschließlich TF);
- Translokation - Transport eines Faktors vom Zytoplasma zum Zellkern;
- Verfügbarkeit der Bindungsstelle - hängt vom Grad der Chromatinkondensation ab (im Zustand Heterochromatin ist die DNA für TF nicht verfügbar);
- ein Komplex von Mechanismen, die auch für andere Proteine charakteristisch sind (Regulation aller Prozesse von der Transkription bis zur posttranslationalen Modifikation und intrazellulären Lokalisierung).
Die letzte Methode bestimmt die quantitative und qualitative Zusammensetzung der Transkriptionsfaktoren in jeder Zelle. Einige TFs sind in der Lage, ihre Synthese nach dem klassischen Feedback-Typ zu regulieren, wenn ihr eigenes Produkt zum Inhibitor der Reaktion wird. In diesem Fall stoppt eine bestimmte Konzentration des Faktors die Transkription des ihn codierenden Gens.
Allgemeine Transkriptionsfaktoren
Diese Faktoren sind notwendig, um die Transkription beliebiger Gene zu starten, und werden in der Nomenklatur als TF1, TFll und TFll bezeichnet, je nach Art der RNA-Polymerase, mit der sie interagieren. Jeder Faktor besteht aus mehreren Untereinheiten.
Basal-TFs erfüllen drei Hauptfunktionen:
- korrekte Position der RNA-Polymerase auf dem Promotor;
- Entwindung von DNA-Ketten im Bereich des Transkriptionsstarts;
- Freisetzung der Polymerase ausPromotor im Moment des Übergangs zur Elongation;
Bestimmte Untereinheiten der basalen Transkriptionsfaktoren binden an regulatorische Elemente des Promotors. Die wichtigste ist die TATA-Box (nicht für alle Gene charakteristisch), die sich in einer Entfernung von "-35" Nukleotiden vom Startpunkt befindet. Andere Bindungsstellen umfassen die INR-, BRE- und DPE-Sequenzen. Einige TFs kontaktieren DNA nicht direkt.
Zur Gruppe der wichtigsten Transkriptionsfaktoren der RNA-Polymerase II gehören TFllD, TFllB, TFllF, TFllE und TFllH. Der lateinische Buchstabe am Ende der Bezeichnung gibt die Reihenfolge des Nachweises dieser Proteine an. So wurde der zur lll-RNA-Polymerase gehörende Faktor TFlllA als erster isoliert.
| Name | Anzahl Proteinuntereinheiten | Funktion |
| TFllD | 16 (TBP +15 TAFs) | TBP bindet an die TATA-Box und TAFs erkennen andere Promotorsequenzen |
| TFllB | 1 | Erkennt das BRE-Element, orientiert die Polymerase genau an der Initiationsstelle |
| TFllF | 3 | Stabilisiert die Polymerase-Interaktion mit TBP und TFllB, erleichtert die Bindung von TFllE und TFllH |
| TFllE | 2 | Verbindet und passt TFllH an |
| TFllH | 10 | Trennt DNA-Ketten am Anfangspunkt, befreit das RNA-synthetisierende Enzym vom Promotor und wichtigen Transkriptionsfaktoren (BiochemieProzess basiert auf der Phosphorylierung der Cer5-C-terminalen Domäne der RNA-Polymerase) |
Der Aufbau von basalem TF erfolgt nur mit Hilfe eines Aktivators, eines Mediators und Chromatin-modifizierender Proteine.
Spezielle TF
Durch die Kontrolle der genetischen Expression regulieren diese Transkriptionsfaktoren die biosynthetischen Prozesse sowohl einzelner Zellen als auch des gesamten Organismus, von der Embryogenese bis zur feinen phänotypischen Anpassung an sich ändernde Umweltbedingungen. Der Einflussbereich der TF umfasst 3 Hauptblöcke:
- Entwicklung (Embryo- und Ontogenese);
- Zellzyklus;
- Antwort auf externe Signale.
Eine spezielle Gruppe von Transkriptionsfaktoren reguliert die morphologische Differenzierung des Embryos. Dieser Proteinsatz wird von einer speziellen 180 bp langen Konsensussequenz namens Homöobox kodiert.
Um zu bestimmen, welches Gen transkribiert werden soll, muss das regulatorische Protein eine bestimmte DNA-Stelle „finden“und daran binden, die als genetischer Sch alter (Enhancer, Silencer usw.) fungiert. Jede dieser Sequenzen entspricht einem oder mehreren verwandten Transkriptionsfaktoren, die die gewünschte Stelle aufgrund der Übereinstimmung der chemischen Konformationen eines bestimmten äußeren Segments der Helix und der DNA-bindenden Domäne erkennen (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Zur Erkennung wird eine Region der Primärstruktur der DNA, die als große Furche bezeichnet wird, verwendet.
Nach Bindung an DNA-AktionAktivatorprotein löst eine Reihe aufeinanderfolgender Schritte aus, die zum Zusammenbau des Präinitiatorkomplexes führen. Das verallgemeinerte Schema dieses Prozesses ist wie folgt:
- Aktivatorbindung an Chromatin in der Promotorregion, Rekrutierung von ATP-abhängigen Umlagerungskomplexen.
- Chromatin-Umlagerung, Aktivierung Histon-modifizierender Proteine.
- Kovalente Modifikation von Histonen, Anziehung anderer Aktivatorproteine.
- Bindung zusätzlicher aktivierender Proteine an die regulatorische Region des Gens.
- Einsch altung eines Mediators und allgemeine TF.
- Montage des Präinitiationskomplexes auf dem Promotor.
- Einfluss anderer Aktivatorproteine, Umlagerung von Untereinheiten des Präinitiationskomplexes.
- Transkription starten.
Die Reihenfolge dieser Ereignisse kann von Gen zu Gen variieren.
Einer so großen Zahl von Aktivierungsmechanismen entspricht eine ebenso breite Palette von Repressionsmethoden. Das heißt, durch die Hemmung einer der Stufen auf dem Weg zur Initiation kann das regulatorische Protein seine Wirksamkeit verringern oder ganz blockieren. Meistens aktiviert der Repressor mehrere Mechanismen gleichzeitig und garantiert so, dass keine Transkription stattfindet.
Koordinierte Kontrolle von Genen
Trotz der Tatsache, dass jedes Transkript sein eigenes Regulationssystem hat, verfügen Eukaryoten über einen Mechanismus, der es, wie Bakterien, erlaubt, Gruppen von Genen zu starten oder zu stoppen, die darauf abzielen, eine bestimmte Aufgabe zu erfüllen. Dies wird durch einen transkriptionsbestimmenden Faktor erreicht, der die Kombinationen vervollständigtandere regulatorische Elemente, die für eine maximale Aktivierung oder Unterdrückung des Gens erforderlich sind.
In Transkripten, die einer solchen Regulation unterliegen, führt das Zusammenspiel verschiedener Komponenten zum gleichen Protein, das als resultierender Vektor fungiert. Daher wirkt sich die Aktivierung eines solchen Faktors auf mehrere Gene gleichzeitig aus. Das System arbeitet nach dem Kaskadenprinzip.
Das Schema der koordinierten Kontrolle kann am Beispiel der ontogenetischen Differenzierung von Skelettmuskelzellen betrachtet werden, deren Vorläufer Myoblasten sind.
Die Transkription von Genen, die für die Synthese von Proteinen kodieren, die für eine reife Muskelzelle charakteristisch sind, wird durch einen der vier myogenen Faktoren ausgelöst: MyoD, Myf5, MyoG und Mrf4. Diese Proteine aktivieren die Synthese für sich und einander, dazu gehören auch die Gene für den zusätzlichen Transkriptionsfaktor Mef2 und strukturelle Muskelproteine. Mef2 ist an der Regulation der weiteren Differenzierung von Myoblasten beteiligt, während es gleichzeitig die Konzentration myogener Proteine durch einen positiven Rückkopplungsmechanismus aufrechterhält.
