Регуляторные элементы – последовательности наДНК

В эукариотических клетках содержится несколько молекул ДНК. В связи

с этим на ДНК различают следующие виды регуляторных

последовательностей:

– цис-элементы (cis-acting elements) – регуляторные элементы,

находящиеся на той же молекуле ДНК, что и регулируемый ими ген. К цис-

элементам относится, например, промоторная область и энхансеры;

– транс-элементы (trans-acting elements) – находятся на другой молекуле

ДНК, не на той, которая несет регулируемый ген. Примерами транс-элементов

являются гены, кодирующие многие транскрипционные факторы.

У эукариот регуляторные элементы собраны в регуляторные регионы,

имеющие сложную блочно-иерархическую организацию. Основной

регуляторный элемент эукариот – это коровый (базальный) промотор. Он

обеспечивает сборку базального транскрипционного комплекса (из основных

факторов транскрипции и РНК-полимеразы) и инициацию транскрипции на

базальном (исходном, базовом) уровне. Часто этот уровень так низок, что

приводит к синтезу лишь единичных молекул РНК и, в дальнейшем, белков.

Кроме корового промотора, экспрессия гена эукариот контролируется

энхансерами (усилителями транскрипции – от англ. enhancer) и сайленсерами

(глушителями, успокоителями, от англ. silencer) – регионами, подавляющими

транскрипцию), которые могут быть расположены на ДНК очень далеко от27

точки начала транскрипции. НаДНК также имеются инсуляторы (англ. insulate

– разобщать, изолировать) – это “пограничные столбы”, определяющие зону

действия данного энхансера или сайленсера.

Транскрипция одного гена обычно зависит от суммы воздействий целого

набора энхансеров, сайленсеров и других регуляторных районовДНК.

 

Регуляторные белки

Регуляторные элементы ДНК могут оказывать свое влияние на

транскрипцию гена лишь опосредованно, через регуляторные белки.

Регуляторные белки, кодируемые транс-элементами (то есть не на той же самой

молекуле ДНК, что и регулируемый ген), называют транс-действующими

регуляторными факторами. Если белок кодируется цис-элементом, его

называют цис-действующимфактором.

Белки, регулирующие транскрипцию благодаря их собственному

высокоспецифическому взаимодействию с ДНК или стехиометрическому (но

не ферментативному!) взаимодействию с другим ДНК-связывающим белком,

называют транскрипционными факторами (TФ). Гистоны не относят к

транскрипционным факторам, так как они при связывании с ДНК проявляют

низкую специфичность (то есть могут связаться с ДНК практически по всей ее

длине, а не на определенном коротком участке).

Регуляторные белки имеют домены для прикрепления к определенному

регуляторному элементу ДНК и домены для белок-белковых взаимодействий.

Для связывания с ДНК регуляторным белкам служат типичные фрагменты

вторичной структуры – ДНК-связывающие мотивы. Известен целый ряд таких

мотивов: “цинковые пальцы”, “спираль-поворот-спираль”, “лейциновая

молния”, “спираль-петля-спираль” и другие. Два из названных мотивов

представлены на рис. 12. Классификация транскрипционных факторов

представлена в Приложении 4.

В отличие от прокариот, эукариотические регуляторные белки оказывают

свой эффект не по одному, а в сочетаниях (комплексах). В транскрипционном

комплексе (см. [7]) число общих и специфических факторов может доходить

до 50, причем замена или отсутствие хотя бы одного из факторов приводит к

изменению способности РНК-полимеразы инициировать транскрипцию на

данном промоторе. Общие белковые факторы обязательны при сборке

транскрипционного комплекса в районе промотора любого гена и на любой

стадии развития, тогда как набор специфических белковых факторов будет

меняться в зависимости от транскрибируемого гена, типа клеток, фазы

жизненного цикла, средовых условий и т.д. (см. Приложение 4, классификация

белковых факторов в зависимости от их функции).

Транскрипционные факторы, активирующие транскрипцию, называются

позитивными, или активаторами, а подавляющие транскрипцию –

негативными, или репрессорами. И те, и другие могут пребывать в активном инеактивном состоянии. Переход из неактивного состояния в активное у разных

транскрипционных факторов происходит разными способами (рис.13).

А Б

Рис. 12 ПримерыДНК-связывающих мотивов в регуляторных белках

А) "цинковые пальцы" (черные шарики - ионы Zn). Цинковый палец, "finger" (этот домен

можно отрезать от целого белка и выделить отдельно) - самый маленький из известных

глобулярных белков. На представленном фрагменте видны 3 “цинковых пальца”.

Б) "лейциновая молния". Когда лейциновая молния не связана с ДНК, она представляет

собой просто димер из параллельных α-спиралей, “слепившихся” по всей длине своими

гидрофобными поверхностями из боковых радикалов лейцинов (показаны в виде выступов).

Однако одна (на каждой спирали) из этих групп – не гидрофобна: желтым пятном отмечен

вкрапленный в гидрофобную поверхность полярный незаряженный аспарагин. Он

необходим для образования именно димера. Его замена на более гидрофобный остаток

приводит к тому, что спирали “ будут слипаться” не по две, а по три и более.

На каждой полипептидной цепи указан С-конец.

Перейдя в активное состояние, специфические транскрипционные

факторы могут изменять активность основных транскрипционных факторов

(например, TFIIB или TFIID) или конкурировать с ними за сайты связывания на

ДНК. Например, некоторые эукариотические факторы-репрессоры связываются

с ДНК так близко от промотора, что закрывают доступ к нему РНК-

полимеразы. Другие транскрипционные факторы могут конкурировать с

белками обратного действия. Например, репрессор может занять сайт на ДНК,

предназначенный для белков-активаторов (так называемое “гашение” –

quenching). В этом случае активаторы не могут присоединиться к ДНК и

облегчить инициацию транскрипции.

 

Эффекторы

Эффекторы – это белки, сами не способные связываться с ДНК, но

регулирующие функционирование белков, способных к такому связыванию

(общих и специфических факторов). Взаимодействие эффектора срегуляторными белками изменяет их способность влиять на регулируемые

гены. Например, эффектором является ингибиторный белок, после отщепления

которого транскрипционный фактор переходит в активное состояние (рис.13).

Расщепление неактивного предшественника

Синтез (экспрессия)

Фосфорилирование Дефосфорилирование

Вытеснение неактивного Распад комплекса с

партнера активным ингибиторным белком

Связывание с лигандом

Рис. 13 Основные пути активации транскрипционных факторов

Зеленым цветом показано функционально неактивное состояние

транскрипционного фактора, красным – активное.

Белки-эффекторы, присоединение которых заставляет функционировать

активаторы, называются коактиваторами, взаимодействующие с

репрессорами – корепрессорами. Как и сами транскрипционные факторы, и

коактиваторы, и корепрессоры могут переходить из функционально активной

формы в неактивную и обратно.

2.2.4. Медиатор

Медиаторами называют белковые комплексы эукариот,

осуществляющие передачу регулирующего сигнала с белка-активатора (или

репрессора), связавшегося с регуляторным элементом (энхансером,

сайленсером), на общие факторы транскрипции в транскрипционном комплексе

РНК-полимеразы II. Важно, что медиатор способен собирать и интегрировать

регуляторные сигналы от многих активаторов и репрессоров (а, следовательно,

от многих регуляторных элементов ДНК) и активно влиять на РНК-полимеразу

II уже на основе этого интегрированного сигнала. Медиатор,

29взаимодействующий с регуляторными белками и РНК-полимеразой II,

изображен на рис. 14.

Активатор Е1А

«нога»

MED

Cdk8 16/23/24

«тело»

CTD

MED25

VP16 «голова»

Pol II

Рис. 14 Медиаторный комплекс

Более чем 20 белков, входящих в медиатор (обозначены розовым цветом), делятся на модули

“головы” (head), “тела” (body) и “ноги” (leg). До сих пор обсуждается выделение четвертого

модуля (на рисунке обозначен красным цветом), в состав которого входит пара из циклина и

фермента – циклин-зависимой киназы cdk8 (о циклинах см. Приложение 8). Эта пара

действует на C-концевой домен главной субъединицы РНК-полимеразы (обозначен как CTD)

и при определенных условиях инактивирует его до инициации транскрипции.

Модуль “головы” прямо взаимодействует с РНК-полимеразой II и влияет на ее активность.

Модуль “тела” соединяет части медиатора и С-концевой домен РНК-полимеразы II Модуль

“ноги” содержит белки, взаимодействующие с белками - активаторами или ингибиторами

транскрипции.

Белки медиатора способны изменять свою активность под действием различных химических

сигналов. В качестве примера на рисунке представлены воздействия на медиатор белка

простого герпеса VP16 (влияет на компоненты “головы” медиатора) и аденовирусный белок

E1A (изменяет функционирование белков четвертого модуля). Воздействия белков этих

вирусов изменяют активность РНК-полимеразы, что приводит к изменению синтеза белков,

кодируемых транскрибируемым геном.