Transkriptionell reglering - Transcriptional regulation

Inom molekylärbiologi och genetik är transkriptionell reglering det sätt på vilket en cell reglerar omvandlingen av DNA till RNA ( transkription ) och därigenom orkestrerar genaktivitet . En enda gen kan regleras på en rad olika sätt, från att ändra antalet kopior av RNA som transkriberas, till den tidsmässiga kontrollen av när genen transkriberas. Denna kontroll gör att cellen eller organismen kan reagera på en mängd olika intra- och extracellulära signaler och därmed montera ett svar. Några exempel på detta inkluderar att producera mRNA som kodar för enzymer för att anpassa sig till en förändring i en matkälla, producera de genprodukter som är involverade i cellcykelspecifika aktiviteter och att producera de genprodukter som är ansvariga för celldifferentiering i multicellulära eukaryoter, som studerats i evolutionär utvecklingsmässig utveckling biologi .

Regleringen av transkription är en vital process i alla levande organismer. Det är orkestrerat av transkriptionsfaktorer och andra proteiner som samverkar för att finjustera mängden RNA som produceras genom en mängd olika mekanismer. Bakterier och eukaryoter har mycket olika strategier för att uppnå kontroll över transkription, men några viktiga funktioner förblir bevarade mellan de två. Viktigast är idén om kombinatorisk kontroll, vilket är att varje given gen sannolikt styrs av en specifik kombination av faktorer för att kontrollera transkription. I ett hypotetiskt exempel kan faktorerna A och B reglera en distinkt uppsättning gener från kombinationen av faktorerna A och C. Denna kombinatoriska natur sträcker sig till komplex med mycket mer än två proteiner och tillåter en mycket liten delmängd (mindre än 10% ) av genomet för att styra transkriptionsprogrammet för hela cellen.

I bakterier

Maltosoperon är ett exempel på en positiv kontroll av transkription. När maltos inte förekommer i E. coli, kommer ingen transkription av maltosgenerna att ske, och det finns ingen maltos att binda till maltosaktivatorproteinet. Detta hindrar aktivatorproteinet från att binda till aktivatorbindningsstället på genen, vilket i sin tur hindrar RNA -polymeras från att binda till maltospromotorn. Ingen transkription sker.

Mycket av den tidiga förståelsen av transkription kom från bakterier, även om omfattningen och komplexiteten av transkriptionell reglering är större hos eukaryoter. Bakteriell transkription styrs av tre huvudsekvenselement:

• Promotorer är element i DNA som kan binda RNA -polymeras och andra proteiner för framgångsrik initiering av transkription direkt uppströms genen.
• Operatörer känner igen repressorproteiner som binder till en sträcka av DNA och hämmar transkriptionen av genen.
• Positiva kontrollelement som binder till DNA och uppmuntrar till högre transkriptionsnivåer.

Även om dessa medel för transkriptionell reglering också finns i eukaryoter, är transkriptionellt landskap betydligt mer komplicerat både av antalet proteiner som är inblandade såväl som av närvaron av introner och förpackning av DNA i histoner .

Transkriptionen av en grundläggande bakteriegen beror på dess promotors styrka och närvaron av aktivatorer eller repressorer. I frånvaro av andra reglerande element varierar en promotors sekvensbaserade affinitet för RNA-polymeraser, vilket resulterar i produktion av olika mängder transkript. Den variabla affiniteten för RNA -polymeras för olika promotorsekvenser är relaterad till regioner med konsensussekvens uppströms om transkriptionsstartstället. Ju fler nukleotider hos en promotor som överensstämmer med konsensussekvensen, desto starkare är promotorns affinitet för RNA -polymeras sannolikt.

När maltos förekommer i E. coli, binder det till maltosaktivatorproteinet (#1), vilket främjar maltosaktivatorproteinbindning till aktivatorbindningsstället (#2). Detta gör att RNA -polymeraset kan binda till mal -promotorn (#3). Transkription av malE-, malF- och malG -gener fortsätter sedan (#4) när maltosaktivatorprotein och RNA -polymeras rör sig ner i DNA: t. malE kodar för maltosbindande periplasmatiskt protein och hjälper maltostransport över cellmembranet. malF kodar för maltos transportsystem genomtränger protein och hjälper till att translokera maltos över cellmembranet. malG kodar för transportsystemprotein och hjälper också till att translokera maltos över cellmembranet.

I avsaknad av andra reglerande element ska standardtillståndet för ett bakteriellt transkript vara i "på" -konfigurationen, vilket resulterar i produktion av en viss mängd transkript. Detta innebär att transkriptionell reglering i form av proteinerepressorer och positiva kontrollelement antingen kan öka eller minska transkriptionen. Repressorer intar ofta fysiskt promotorplatsen och stänger RNA -polymeras från bindning. Alternativt kan en repressor och polymeras binda till DNA: t samtidigt med en fysisk interaktion mellan repressorn som förhindrar öppnandet av DNA: t för åtkomst till minussträngen för transkription. Denna kontrollstrategi skiljer sig från eukaryot transkription, vars basala tillstånd ska vara avstängt och där samfaktorer som krävs för transkriptionsinitiering är mycket genberoende.

Sigmafaktorer är specialiserade bakterieproteiner som binder till RNA -polymeraser och orkestrerar transkriptionsinitiering. Sigmafaktorer fungerar som förmedlare av sekvensspecifik transkription, så att en enda sigmafaktor kan användas för transkription av alla hushållningsgener eller en serie gener som cellen vill uttrycka som svar på vissa yttre stimuli som stress.

Förutom processer som reglerar transkription vid initieringsstadiet styrs mRNA -syntes också av transkriptionsförlängningshastigheten. RNA-polymeraspauser förekommer ofta och regleras av transkriptionsfaktorer, såsom NusG och NusA, transkriptions-translationskoppling och mRNA sekundär struktur.

I eukaryoter

Den extra komplexiteten att generera en eukaryot cell medför en ökning av komplexiteten hos transkriptionell reglering. Eukaryoter har tre RNA -polymeraser, kända som Pol I , Pol II och Pol III . Varje polymeras har specifika mål och aktiviteter och regleras av oberoende mekanismer. Det finns ett antal ytterligare mekanismer genom vilka polymerasaktivitet kan kontrolleras. Dessa mekanismer kan generellt delas in i tre huvudområden:

• Kontroll över polymerasåtkomst till genen. Detta är kanske den bredaste av de tre kontrollmekanismerna. Detta inkluderar funktioner för histonrenoveringsenzymer , transkriptionsfaktorer, förstärkare och repressorer och många andra komplex
• Produktiv förlängning av RNA -transkriptet. När polymeras väl är bunden till en promotor, kräver det ytterligare en uppsättning faktorer för att låta det undkomma promotorkomplexet och framgångsrikt börja transkribera RNA.
• Avslutning av polymeraset. Ett antal faktorer som har visat sig styra hur och när avslutning sker, vilket kommer att diktera RNA -transkriptets öde.

Alla tre av dessa system arbetar tillsammans för att integrera signaler från cellen och ändra transkriptionsprogrammet i enlighet därmed.

Medan i prokaryota system kan basaltransskriptionstillståndet ses som icke -restriktivt (det vill säga "på" i frånvaro av modifierande faktorer), har eukaryoter ett restriktivt basalt tillstånd som kräver rekrytering av andra faktorer för att generera RNA -transkript. Denna skillnad beror till stor del på komprimeringen av det eukaryota genomet genom att linda DNA runt histoner för att bilda strukturer av högre ordning. Denna komprimering gör genpromotorn otillgänglig utan hjälp av andra faktorer i kärnan, och därmed är kromatinstruktur en vanlig plats för reglering. I likhet med sigmafaktorerna i prokaryoter är de allmänna transkriptionsfaktorerna (GTF) en uppsättning faktorer i eukaryoter som krävs för alla transkriptionshändelser. Dessa faktorer är ansvariga för att stabilisera bindningsinteraktioner och öppna DNA -spiralen för att tillåta RNA -polymeraset att komma åt mallen, men saknar i allmänhet specificitet för olika promotorsäten. En stor del av genregleringen sker genom transkriptionsfaktorer som antingen rekryterar eller hämmar bindningen av det allmänna transkriptionsmaskineriet och/eller polymeraset. Detta kan åstadkommas genom nära interaktioner med kärnpromotorelement eller genom de långdistansförbättrande elementen.

När väl ett polymeras är framgångsrikt bundet till en DNA -mall kräver det ofta hjälp av andra proteiner för att lämna det stabila promotorkomplexet och börja förlänga den begynnande RNA -strängen. Denna process kallas promotor escape, och är ett annat steg där regleringselement kan verka för att påskynda eller bromsa transkriptionsprocessen. På samma sätt kan protein- och nukleinsyrafaktorer associeras med förlängningskomplexet och modulera den hastighet med vilken polymeraset rör sig längs DNA -mallen.

På nivån av kromatintillstånd

I eukaryoter är genomiskt DNA mycket komprimerat för att kunna passa in i kärnan. Detta uppnås genom att linda DNA runt proteinoktamerer som kallas histoner , vilket har konsekvenser för den fysiska tillgängligheten för delar av genomet vid varje given tidpunkt. Betydande portioner tystas genom histonmodifieringar och är därmed otillgängliga för polymeraserna eller deras kofaktorer. Den högsta nivån av transkriptionsreglering sker genom omarrangemang av histoner för att exponera eller avlägsna gener, eftersom dessa processer har förmågan att göra hela regioner i en kromosom otillgängliga, till exempel vad som händer vid prägling.

Histonarrangemang underlättas av posttranslationella modifieringar av svansarna av kärnhistonerna. En mängd olika modifieringar kan göras av enzymer såsom histonacetyltransferaser (HAT) , histonmetyltransferaser (HMT) och histondeacetylaser (HDAC) , bland andra. Dessa enzymer kan lägga till eller ta bort kovalenta modifieringar såsom metylgrupper, acetylgrupper, fosfater och ubiquitin. Histonmodifieringar tjänar till att rekrytera andra proteiner som antingen kan öka komprimeringen av kromatin- och sekvestreringspromotorelementen, eller att öka avståndet mellan histoner och tillåta associering av transkriptionsfaktorer eller polymeras på öppet DNA. Exempelvis orsakar H3K27 -trimetylering av polycomb -komplexet PRC2 kromosomkomprimering och genavstängning. Dessa histonmodifieringar kan skapas av cellen eller ärvas på ett epigenetiskt sätt från en förälder.

På nivån av cytosinmetylering

DNA -metylering är tillsatsen av en metylgrupp till det DNA som sker vid cytosin . Bilden visar en cytosin enkelring bas och en metylgrupp tillsatt till 5 kol. Hos däggdjur sker DNA -metylering nästan uteslutande vid ett cytosin som följs av en guanin .

Transkriptionsreglering hos cirka 60% av promotorerna styrs av metylering av cytosiner inom CpG -dinukleotider (där 5' -cytosin följs av 3' -guanin eller CpG -ställen ). 5-metylcytosin (5-MC) är en metylerad form av den DNA- basen cytosin (se figur). 5-mC är en epigenetisk markör som huvudsakligen finns inom CpG-platser. Cirka 28 miljoner CpG -dinukleotider förekommer i det mänskliga genomet. I de flesta vävnader hos däggdjur metyleras i genomsnitt 70% till 80% av CpG-cytosinerna (bildar 5-metylCpG eller 5-mCpG). Metylerade cytosiner inom 5'cytosin-guanin 3'-sekvenser förekommer ofta i grupper, kallade CpG-öar . Cirka 60% av promotorsekvenserna har en CpG -ö medan endast cirka 6% av förstärkarsekvenserna har en CpG -ö. CpG -öar utgör reglerande sekvenser, eftersom om CpG -öar metyleras i promotorn för en gen kan detta minska eller tysta gentranskription.

DNA -metylering reglerar gentranskription genom interaktion med metylbindande domän (MBD) proteiner , såsom MeCP2 , MBD1 och MBD2 . Dessa MBD -proteiner binder starkast till högmetylerade CpG -öar . Dessa MBD-proteiner har både en metyl-CpG-bindande domän såväl som en transkriptionsrepressionsdomän. De binder till metylerat DNA och leder eller leder proteinkomplex med kromatin -ombyggnad och/eller histonmodifierande aktivitet till metylerade CpG -öar. MBD -proteiner undertrycker i allmänhet lokalt kromatin, till exempel genom att katalysera införandet av repressiva histonmärken, eller skapa en övergripande repressiv kromatinmiljö genom nukleosomrenovering och kromatinreorganisering.

Transkriptionsfaktorer är proteiner som binder till specifika DNA -sekvenser för att reglera uttrycket av en gen. Bindningssekvensen för en transkriptionsfaktor i DNA är vanligtvis cirka 10 eller 11 nukleotider lång. Såsom sammanfattades 2009, Vaquerizas et al. indikerade att det finns cirka 1 400 olika transkriptionsfaktorer som kodas i det mänskliga genomet av gener som utgör cirka 6% av alla gener som kodar för humant protein. Cirka 94% av transkriptionsfaktorbindningsställen (TFBS) som är associerade med signalresponsiva gener förekommer i förstärkare medan endast cirka 6% av sådana TFBS förekommer i promotorer.

EGR1 -protein är en särskild transkriptionsfaktor som är viktig för reglering av metylering av CpG -öar. Ett EGR1 -transkriptionsfaktorbindningsställe är ofta lokaliserat i förstärkare- eller promotorsekvenser. Det finns cirka 12 000 bindningsställen för EGR1 i däggdjursgenomet och ungefär hälften av EGR1 -bindningsställen finns i promotorer och hälften i förstärkare. Bindningen av EGR1 till dess mål -DNA -bindningsställe är okänslig för cytosinmetylering i DNA: t.

Medan endast små mängder av EGR1-transkriptionsfaktorprotein är detekterbara i celler som är ostimulerade, ökar translationen av EGR1- genen till protein en timme efter stimulering drastiskt. Uttryck av EGR1 -transkriptionsfaktorproteiner i olika typer av celler kan stimuleras av tillväxtfaktorer, signalsubstanser, hormoner, stress och skada. I hjärnan, när neuroner aktiveras, regleras EGR1-proteiner upp och de binder till (rekryterar) de befintliga TET1- enzymerna som uttrycks starkt i neuroner. TET-enzymer kan katalysera demetylering av 5-metylcytosin. När EGR1 -transkriptionsfaktorer leder TET1 -enzymer till EGR1 -bindningsställen i promotorer kan TET -enzymerna demetylera de metylerade CpG -öarna vid dessa promotorer. Vid demetylering kan dessa promotorer sedan initiera transkription av sina målgener. Hundratals gener i neuroner uttrycks differentiellt efter neuronaktivering genom EGR1 -rekrytering av TET1 till metylerade regleringssekvenser i deras promotorer.

Metyleringen av promotorer förändras också som svar på signaler. De tre däggdjurs- DNA-methyltransferasess (DNMT1, DNMT3A och DNMT3B) katalyserar tillsatsen av metylgrupper till cytosiner i DNA. Medan DNMT1 är ett ”underhåll” -metyltransferas, kan DNMT3A och DNMT3B utföra nya metyleringar. Det finns också två skarv proteinisoformer framställda från DNMT3A gen: DNA-metyltransferas proteiner DNMT3A1 och DNMT3A2.

Skarven isoform DNMT3A2 beter sig som produkten av en klassisk genast tidig gen och till exempel produceras den robust och övergående efter neuronal aktivering. Där DNA -metyltransferasisoformen DNMT3A2 binder och lägger till metylgrupper till cytosiner verkar bestämmas av histon efter translationella modifieringar.

Å andra sidan orsakar neural aktivering nedbrytning av DNMT3A1 åtföljt av minskad metylering av minst en utvärderad riktad promotor.

Genom transkriptionsfaktorer och förstärkare

Transkriptionsfaktorer

Transkriptionsfaktorer är proteiner som binder till specifika DNA -sekvenser för att reglera uttrycket av en given gen. Det finns cirka 1 400 transkriptionsfaktorer i det mänskliga genomet och de utgör cirka 6% av alla humana proteinkodande gener. Kraften hos transkriptionsfaktorer ligger i deras förmåga att aktivera och/eller undertrycka breda repertoarer av nedströms målgener. Det faktum att dessa transkriptionsfaktorer fungerar på ett kombinatoriskt sätt innebär att endast en liten delmängd av en organisms genomkod kodar transkriptionsfaktorer. Transkriptionsfaktorer fungerar genom en mängd olika mekanismer. I en mekanism påverkar CpG -metylering bindningen av de flesta transkriptionsfaktorer till DNA - i vissa fall negativt och i andra positivt. Dessutom är de ofta i slutet av en signaltransduktionsväg som fungerar för att förändra något om faktorn, till exempel dess subcellulära lokalisering eller dess aktivitet. Eftertranslationella modifieringar av transkriptionsfaktorer som finns i cytosolen kan få dem att translokera till kärnan där de kan interagera med sina motsvarande förstärkare. Andra transkriptionsfaktorer finns redan i kärnan och modifieras för att möjliggöra interaktion med partnertransskriptionsfaktorer. Några posttranslationella modifieringar som är kända för att reglera funktionellt tillstånd för transkriptionsfaktorer är fosforylering , acetylering , SUMOylering och ubiquitylation . Transkriptionsfaktorer kan delas in i två huvudkategorier: aktivatorer och repressorer . Medan aktivatorer kan interagera direkt eller indirekt med transkriptions kärnmaskineri genom förstärkarbindning, rekryterar repressorer övervägande co-repressorkomplex som leder till transkriptionell repression genom kromatinkondensation av förstärkningsregioner. Det kan också hända att en repressor kan fungera genom allosterisk konkurrens mot en bestämd aktivator för att undertrycka genuttryck: överlappande DNA-bindande motiv för både aktivatorer och repressorer inducerar en fysisk konkurrens om att inta bindningsstället. Om repressorn har en högre affinitet för sitt motiv än aktivatorn, skulle transkription effektivt blockeras i närvaro av repressorn. Stram regulatorisk kontroll uppnås genom transkriptionsfaktorernas mycket dynamiska karaktär. Återigen finns det många olika mekanismer för att kontrollera om en transkriptionsfaktor är aktiv. Dessa mekanismer inkluderar kontroll över proteinlokalisering eller kontroll över om proteinet kan binda DNA. Ett exempel på detta är proteinet HSF1 , som förblir bundet till Hsp70 i cytosolen och endast translokeras till kärnan vid cellulär stress såsom värmechock. Således kommer generna under kontroll av denna transkriptionsfaktor att förbli otranskriberade om inte cellen utsätts för stress.

Förstärkare

Förstärkare eller cis-reglerande moduler/element (CRM/CRE) är icke-kodande DNA-sekvenser som innehåller flera aktivator- och repressorbindningsställen. Förstärkare sträcker sig från 200 bp till 1 kb i längd och kan antingen vara proximala, 5 'uppströms promotorn eller inom den första intronen hos den reglerade genen, eller distalt, i introner i angränsande gener eller intergena regioner långt bort från lokuset. Genom DNA -looping kontaktar aktiva förstärkare promotorn beroende av kärna -DNA -bindande motivpromotorspecificitet. Promotorförstärkare dikotomi utgör grunden för den funktionella interaktionen mellan transkriptionsfaktorer och transkriptionell kärnmaskineri för att utlösa RNA Pol II-flykt från promotorn. Medan man skulle kunna tro att det finns ett 1: 1 enhancer-promotor-förhållande, förutsäger studier av det mänskliga genomet att en aktiv promotor interagerar med 4 till 5 enhancers. På samma sätt kan förstärkare reglera mer än en gen utan bindningsbegränsning och sägs "hoppa över" angränsande gener för att reglera mer avlägsna. Även om sällsynt kan transkriptionell reglering innefatta element som finns i en kromosom som skiljer sig från den där promotorn finns. Proximala förstärkare eller promotorer för närliggande gener kan fungera som plattformar för att rekrytera mer distala element.

Förbättra aktivering och implementering

Förbättra funktion i reglering av transkription hos däggdjur . En aktiv förstärkare -regulatorisk sekvens av DNA gör det möjligt att interagera med promotor -DNA -regleringssekvensen för dess målgen genom bildning av en kromosomslinga. Detta kan initiera messenger -RNA (mRNA) -syntes genom RNA -polymeras II (RNAP II) bunden till promotorn vid transkriptionsstartstället för genen. Slingan stabiliseras av ett arkitektoniskt protein förankrat till förstärkaren och ett förankrat till promotorn och dessa proteiner sammanfogas för att bilda en dimer (röda sicksackar). Specifika regulatoriska transkriptionsfaktorer binder till DNA -sekvensmotiv på förstärkaren. Allmänna transkriptionsfaktorer binder till promotorn. När en transkriptionsfaktor aktiveras av en signal (här indikerad som fosforylering som visas av en liten röd stjärna på en transkriptionsfaktor på förstärkaren) aktiveras förstärkaren och kan nu aktivera sin målpromotor. Den aktiva förstärkaren transkriberas på varje DNA -sträng i motsatta riktningar av bundna RNAP II. Mediator (ett komplex bestående av cirka 26 proteiner i en interagerande struktur) kommunicerar regulatoriska signaler från förstärkarens DNA-bundna transkriptionsfaktorer till promotorn.

Uppreglerat uttryck av gener hos däggdjur kan initieras när signaler överförs till promotorerna associerade med generna. Cis-regulatoriska DNA-sekvenser som är belägna i DNA-regioner avlägsna från promotorer av gener kan ha mycket stora effekter på genuttryck, med vissa gener som genomgår upp till 100-faldigt ökat uttryck på grund av en sådan cis-regulatorisk sekvens. Dessa cis-reglerande sekvenser inkluderar förstärkare , ljuddämpare , isolatorer och bindningselement. Bland denna konstellation av sekvenser har förstärkare och deras associerade transkriptionsfaktorproteiner en ledande roll i regleringen av genuttryck.

Förstärkare är sekvenser av genomet som är viktiga genreglerande element. Förstärkare kontrollerar celltypspecifika genuttrycksprogram, oftast genom att loopa genom långa avstånd för att komma i fysisk närhet med promotorerna för deras målgener. I en studie av hjärnans kortikala neuroner hittades 24 937 slingor som förde förstärkare till promotorer. Flera förstärkare, var och en ofta vid tiotals eller hundratusentals nukleotider avlägsna från deras målgener, går till sina målgenpromotorer och koordinerar med varandra för att styra uttrycket av deras gemensamma målgen.

Den schematiska illustrationen i detta avsnitt visar en förstärkare som slingrar runt för att komma i nära fysisk närhet med promotorn för en målgen. Slingan stabiliseras av en dimer av ett kopplingsprotein (t.ex. dimer av CTCF eller YY1 ), med en del av dimeren förankrad till dess bindningsmotiv på förstärkaren och den andra delen förankrad till dess bindningsmotiv på promotorn (representerad av röda sicksack i bilden). Flera cellfunktionsspecifika transkriptionsfaktorproteiner (år 2018 Lambert et al. Indikerade att det fanns cirka 1600 transkriptionsfaktorer i en mänsklig cell) binder i allmänhet till specifika motiv på en förstärkare och en liten kombination av dessa förstärkare-bundna transkriptionsfaktorer när de bringas nära en promotor med en DNA -slinga, styr nivån av transkription av målgenen. Mediator (koaktivator) (ett komplex som vanligtvis består av cirka 26 proteiner i en interagerande struktur) kommunicerar regulatoriska signaler från förstärkare-DNA-bundna transkriptionsfaktorer direkt till enzymet RNA-polymeras II (RNAP II) bundet till promotorn.

Enhancers, när de är aktiva, transkriberas i allmänhet från båda DNA -strängarna med RNA -polymeraser som verkar i två olika riktningar, vilket producerar två eRNA som illustreras i figuren. En inaktiv förstärkare kan vara bunden av en inaktiv transkriptionsfaktor. Fosforylering av transkriptionsfaktorn kan aktivera den och den aktiverade transkriptionsfaktorn kan sedan aktivera förstärkaren till vilken den är bunden (se liten röd stjärna som representerar fosforylering av en transkriptionsfaktor bunden till en förstärkare i illustrationen). En aktiverad förstärkare påbörjar transkription av dess RNA innan den aktiverar en promotor för att initiera transkription av budbärar -RNA från dess målgen.

Reglerande landskap

Transkriptionell initiering, avslutning och reglering medieras av "DNA looping" som sammanför promotorer, förstärkare, transkriptionsfaktorer och RNA -behandlingsfaktorer för att exakt reglera genuttryck. Kromosomkonformationsinsamling (3C) och nyligen Hi-C-tekniker gav bevis för att aktiva kromatinregioner "komprimeras" i kärnområden eller kroppar där transkriptionell reglering förbättras. Genomets konfiguration är avgörande för enhancer-promotors närhet. Beslut om cellöden medieras av högdynamiska genomiska omorganisationer vid gränssnitt för att modulärt slå på eller stänga av hela genregleringsnätverk genom kromatinarrangemang med kort till lång räckvidd. Relaterade studier visar att metazoangenomer är uppdelade i strukturella och funktionella enheter runt en megabas som kallas topologiska föreningsdomäner (TAD) som innehåller dussintals gener som regleras av hundratals förstärkare fördelade inom stora genomiska regioner som endast innehåller icke-kodande sekvenser. TAD: s funktion är att omgruppera förstärkare och promotorer som interagerar tillsammans inom en enda stor funktionell domän istället för att de sprids i olika TAD: er. Studier av musutveckling påpekar dock att två intilliggande TAD: er kan reglera samma genkluster. Den mest relevanta studien om lemutveckling visar att TAD vid 5 'i HoxD -genklustret i tetrapodgener driver sitt uttryck i de distala lemknoppens embryon, vilket ger upphov till handen, medan den som ligger på 3' -sidan gör det i den proximala lemknoppen, vilket ger upphov till armen. Ändå är det inte känt om TAD är en adaptiv strategi för att förbättra reglerande interaktioner eller en effekt av begränsningarna på samma interaktioner. TAD -gränser är ofta sammansatta av hushållningsgener, tRNA, andra starkt uttryckta sekvenser och Short Interspersed Elements (SINE). Även om dessa gener kan dra fördel av deras gränsposition för att uttryckas allestädes närvarande, är de inte direkt kopplade till TAD -kantbildning. De specifika molekylerna som identifieras vid gränserna för TAD kallas isolatorer eller arkitektoniska proteiner eftersom de inte bara blockerar förstärkare läckande uttryck utan också säkerställer en exakt uppdelning av cis-regulatoriska insatser till den riktade promotorn. Dessa isolatorer är DNA-bindande proteiner som CTCF och TFIIIC som hjälper till att rekrytera strukturella partner som kohesiner och kondensiner. Lokalisering och bindning av arkitektoniska proteiner till deras motsvarande bindningsställen regleras av posttranslationella modifieringar. DNA -bindande motiv som känns igen av arkitektoniska proteiner har antingen hög beläggning och cirka en megabas av varandra eller låg beläggning och inuti TAD. Platser med hög beläggning är vanligtvis bevarade och statiska medan intra-TAD-platser är dynamiska beroende på cellens tillstånd därför är TAD: er själva uppdelade i underdomäner som kan kallas subTAD från några kb upp till en TAD lång (19). När arkitektoniska bindningsställen ligger mindre än 100 kb från varandra, är Mediatorproteiner de arkitektoniska proteinerna som samarbetar med kohesin. För subTAD -värden större än 100 kb och TAD -gränser är CTCF den typiska isolatorn som verkar interagera med sammanhållning.

Av förinitieringskomplexet och promotorflykten

I eukaryoter styrs ribosomalt rRNA och tRNA involverade i translation av RNA -polymeras I (Pol I) och RNA -polymeras III (Pol III). RNA Polymerase II (Pol II) ansvarar för produktionen av messenger -RNA (mRNA) i cellen. Särskilt för Pol II sker mycket av de regulatoriska kontrollpunkterna i transkriptionsprocessen i sammansättningen och flykten från förinitieringskomplexet . En genspecifik kombination av transkriptionsfaktorer kommer att rekrytera TFIID och/eller TFIIA till kärnpromotorn, följt av associering av TFIIB , vilket skapar ett stabilt komplex som resten av de allmänna transkriptionsfaktorerna (GTF) kan montera på. Detta komplex är relativt stabilt och kan genomgå flera omgångar med transkriptionsinitiering. Efter bindningen av TFIIB och TFIID kan Pol II resten av GTF: erna monteras. Denna sammansättning markeras av den posttranslationella modifieringen (typiskt fosforylering) av C-terminaldomänen (CTD) hos Pol II genom ett antal kinaser. CTD är en stor, ostrukturerad domän som sträcker sig från RbpI -subenheten i Pol II och består av många upprepningar av heptadsekvensen YSPTSPS. TFIIH , helikaset som förblir associerat med Pol II under hela transkriptionen, innehåller också en subenhet med kinasaktivitet som kommer att fosforylera serinerna 5 i heptadsekvensen. På samma sätt har både CDK8 (en subenhet av det massiva multiprotein Mediator-komplexet) och CDK9 (en subenhet av p-TEFb- töjningsfaktorn) kinasaktivitet mot andra rester på CTD. Dessa fosforyleringshändelser främjar transkriptionsprocessen och fungerar som rekryteringsplatser för mRNA -bearbetningsmaskiner. Alla tre av dessa kinaser svarar på uppströmsignaler, och misslyckande med att fosforylera CTD kan leda till ett avstannat polymeras vid promotorn.

Vid cancer

Hos ryggradsdjur innehåller majoriteten av genpromotorer en CpG -ö med många CpG -platser . När många av en gens promotors CpG -ställen metyleras blir tysten tyst. Kolorektal cancer har typiskt tre till sex förare mutationer och 33 till 66 Hitchhiker eller passagerare mutationer. Transkriptionell tystnad kan emellertid vara av större betydelse än mutation för att orsaka progression till cancer. Till exempel tystnar cirka 600 till 800 gener i kolorektal cancer på transkriptionellt sätt med CpG -ö -metylering (se reglering av transkription vid cancer ). Transkriptionell repression vid cancer kan också uppstå med andra epigenetiska mekanismer, såsom förändrat uttryck av mikroRNA . Vid bröstcancer kan transkriptionell repression av BRCA1 förekomma oftare genom överuttryckt mikroRNA-182 än genom hypermetylering av BRCA1-promotorn (se Lågt uttryck av BRCA1 vid bröst- och äggstockscancer ).

Referenser

externa länkar

• Planttranskriptionsfaktordatabas och plattform för transkriptionell reglering av data och analysplattform
• MIT: Aktiverar en ny förståelse för genreglering