Механизмы регуляции транскрипции

При исследовании механизмов регуляции экспрессии генов у животных обнаружены регуляторные белки, которые взаимодействуют со специфическими последовательностями нуклеотидов генов, получившие название факторов транскрипции. Больше тысячи этих белков разных организмов уже идентифицированы, а общее их число, по некоторым оценкам, составляет не менее нескольких тысяч.

Для того чтобы фактор транскрипции оказал специфическое действие на синтез РНК определенным геном, он прежде всего должен распознать этот ген и связаться с определенной последовательностью ДНК. Затем фактор транскрипции должен взаимодействовать с другими факторами или непосредственно с самой РНК-полимеразой для стимуляции или подавления транскрипции на этом гене. Кроме того, необходимость включения и выключения транскрипции в строго определенных месте и времени (тканеспецифическии характер экспрессии генов на разных стадиях онтогенеза организма) предполагает наличие механизмов контроля биосинтеза или активации самих факторов транскрипции для упорядочивания их функционирования.

Позитивная регуляция синтеза рнк.

Изучение механизмов функционирования белковых факторов транскрипции - задача непростая. Прежде всего, это связано с их малой концентрацией в клетках и большими сложностями получения факторов в очищенном состоянии для дальнейших биохимических исследований. Развитие генно-инженерных методов позволило получать факторы транскрипции в неограниченных количествах, что не замедлило принести плоды в виде новой информации.

Все известные факторы транскрипции на основании гомологии первичных структур их полипептидных цепей разделяют на четыре больших суперкласса

1) факторы с доменами, обогащенными основными аминокислотами (типа "лейциновая застежка").

В этой структуре остатки лейцина (Leu), находящиеся в составе α-спирального участка полипептидных цепей факторов, расположены через каждые шесть аминокислотных остатков на равном расстоянии друг от друга и оказываются на одной стороне α-спирали через каждые два витка (рис. 8.3,б). Такие домены сами по себе не связываются с ДНК, однако обеспечивают димеризацию содержащих их факторов путем взаимопроникновения лейциновых α-спиралей двух молекул факторов. В результате в димере появляются две правильно расположенные друг относительно друга полипептидные цепи, составленные преимущественно из основных аминокислотных остатков, которые и образуют ДНК-связывающий центр фактора транскрипции.

2) факторы с ДНК-связывающими доменами, координирующими ионы Zn²⁺. ("цинковые пальцы")

Одним из первых факторов транскрипции, полученных в виде очищенного рекомбинантного белка, был фактор ТFIIIА, который играет ключевую роль в транскрипции генов 5S рРНК РНК-полимеразой Ш. ДНК-связывающий участок полипептидной цепи этого фактора содержит девять 30-звенных повторов: Tyr/Phe-Xaa-Cys-Xaa-Cys-Xaa_2,4-Cys-Xaa₃-Phe-Xaa₅-Leu-Xaa₂-His-Хаа_3,4-His-Xaa₅, где Хаа - остаток любой аминокислоты. Таким образом, каждый из повторов содержит две строго консервативные пары остатков цистедина (Cys) и гистедина (His), которые взаимодействуют с одним ионом цинка. Это приводит к образованию в свернутой полипептидной цепи пространственной структуры, выступающей над поверхностью белковой глобулы в виде "пальца" (рис. 8.2,а). Вершины пальцев непосредственно контактируют с большой бороздкой ДНК, причем соседние пальцеобразные структуры связываются противоположными сторонами спирали ДНК (рис. 8.2,б).

Домены типа "цинковые пальцы" обнаружены у многих факторов транскрипции, обеспечивающих функционирование РНК-полимеразы II. Интересно, что точковая мутация в гене Kruppel-белка, приводящая к замене лишь одного из остатков Cys на Ser, что, в свою очередь, предотвращает связывание иона Zn²⁺, фенотипически проявляется как делеция целого гена этого фактора. На данном основании был сделан вывод о том, что способность связывать ионы Zn²⁺ является критической для проявления ДНК-связывающей активности факторов такого типа.

3) факторы, содержащие домены типа "спираль-поворот-спираль"

Такой тип пептидных доменов, специфически распознающих регуляторные последовательности на ДНК, характерен для белковых продуктов гомеотических (гомеозисных) генов, впервые обнаруженных у дрозофилы. Гомеотические гены позвоночных и растений играют ключевую роль в их морфогенезе. Полипептидные цепи белков, кодируемых этими генами, содержат высококонсервативную последовательность длиной в 60 аминокислотных остатков, называемую гомеодоменом, которая определяет специфичность взаимодействия белков с регуляторными последовательностями ДНК. Анализ третичной структуры гомеодоменов показал, что они образуют структуру типа "спираль-поворот-спираль", в которой за α-спиральным участком следует β-структура с последующим еще одним α-спиральным участком (рис. 8.3,a).

Для бактериальных белков-репрессоров было показано, что при образовании специфических комплексов с ДНК первый α-спиральный участок расположен перпендикулярно большой бороздке ДНК, тогда как второй частично находится в ней и обеспечивает специфические контакты репрессора с операторным участком ДНК.

4) факторы, содержащие домены типа p-scaffold, образующие контакты с малой бороздкой ДНК.

Факторы, не попадающих по своим структурным особенностям ни в один из вышеперечисленных суперклассов, отнесены к суперклассу 0. Такое разнообразие регуляторных белков у эукариот обусловлено наличием у них большого количества генов и необходимостью тонкой регуляции их экспрессии на протяжении жизненного цикла.

Таковы особенности структуры некоторых наиболее хорошо изученных доменов факторов транскрипции, обеспечивающих специфичность взаимодействия последних с регуляторными последовательностями ДНК, что необходимо для их регуляторного воздействия на транскрипцию соответствующих генов. Количество известных доменов у факторов транскрипции быстро возрастает с развитием исследований в этой области. В белках существует несколько структур, обеспечивающих специфическое распознавание определенных последовательностей ДНК, что позволяет осуществлять передачу регуляторных сигналов к определенным генам-мишеням и служит основой для обеспечения их дифференциальной экспрессии на уровне транскрипции.

Несмотря на то что специфическое связывание с ДНК является обязательным этапом для регуляторного воздействия белковых факторов на транскрипцию, реализация активности факторов часто требует их специфического взаимодействия с другими регуляторными белками, а также с самой РНК-полимеразой II. Большинство таких воздействий приводит к активации транскрипции. Однако результатом некоторых из них может быть и репрессия синтеза мРНК.