ყველა ორგანიზმში (გარდა ზოგიერთი ვირუსისა), გენეტიკური მასალის დანერგვა ხდება დნმ-რნმ-პროტეინის სისტემის მიხედვით. პირველ ეტაპზე ხდება ინფორმაციის გადაწერა (ტრანსკრიბცია) ერთი ნუკლეინის მჟავიდან მეორეზე. ცილებს, რომლებიც არეგულირებენ ამ პროცესს, ეწოდება ტრანსკრიფციის ფაქტორები.
რა არის ტრანსკრიფცია
ტრანსკრიფცია არის რნმ-ის მოლეკულის ბიოსინთეზი, რომელიც დაფუძნებულია დნმ-ის შაბლონზე. ეს შესაძლებელია გარკვეული აზოტოვანი ფუძეების კომპლემენტარობის გამო, რომლებიც ქმნიან ნუკლეინის მჟავებს. სინთეზს ახორციელებს სპეციალიზებული ფერმენტები - რნმ პოლიმერაზები და აკონტროლებს მრავალი მარეგულირებელი ცილა.
მთელი გენომი ერთდროულად არ გადაიწერება, არამედ მხოლოდ მისი გარკვეული ნაწილი, რომელსაც ეწოდება ტრანსკრიპტონი. ეს უკანასკნელი მოიცავს პრომოტორს (რნმ პოლიმერაზას მიმაგრების ადგილს) და ტერმინატორს (თანმიმდევრობა, რომელიც ააქტიურებს სინთეზის დასრულებას).
პროკარიოტული ტრანსკრიპტონი არის ოპერონი, რომელიც შედგება რამდენიმე სტრუქტურული გენისაგან (ცისტრონები). მის საფუძველზე სინთეზირებულია პოლიცისტრონული რნმ,შეიცავს ინფორმაციას ფუნქციურად დაკავშირებული ცილების ჯგუფის ამინომჟავების თანმიმდევრობის შესახებ. ევკარიოტული ტრანსკრიპტონი შეიცავს მხოლოდ ერთ გენს.
ტრანსკრიფციის პროცესის ბიოლოგიური როლი არის შაბლონური რნმ თანმიმდევრობების ფორმირება, რომლის საფუძველზეც ხდება ცილის სინთეზი (თარგმნა) რიბოზომებში.
რნმ-ის სინთეზი პროკარიოტებსა და ევკარიოტებში
რნმ-ის სინთეზის სქემა ყველა ორგანიზმისთვის ერთნაირია და მოიცავს 3 ეტაპს:
- დაწყება - პოლიმერაზის მიმაგრება პრომოტორთან, პროცესის გააქტიურება.
- წელვა - ნუკლეოტიდური ჯაჭვის გაფართოება 3'-დან 5'-მდე დასასრულის მიმართულებით აზოტოვან ფუძეებს შორის ფოსფოდიესტერული ბმების დახურვით, რომლებიც შერჩეულია დნმ-ის მონომერების დამატებით.
- შეწყვეტა არის სინთეზის პროცესის დასრულება.
პროკარიოტებში ყველა ტიპის რნმ ტრანსკრიბირებულია ერთი რნმ პოლიმერაზათი, რომელიც შედგება ხუთი პროტომერისგან (β, β', ω და ორი α ქვედანაყოფი), რომლებიც ერთად ქმნიან ბირთვ-ფერმენტს, რომელსაც შეუძლია გაზარდოს რიბონუკლეოტიდების ჯაჭვი.. ასევე არსებობს დამატებითი ერთეული σ, რომლის გარეშეც შეუძლებელია პოლიმერაზის მიმაგრება პრომოტორზე. ბირთვისა და სიგმა ფაქტორის კომპლექსს ჰოლოენზიმი ეწოდება.
მიუხედავად იმისა, რომ σ ქვეერთეული ყოველთვის არ არის დაკავშირებული ბირთვთან, ის ითვლება რნმ პოლიმერაზას ნაწილად. დისოცირებულ მდგომარეობაში სიგმა ვერ აკავშირებს პრომოტორს, მხოლოდ როგორც ჰოლოენზიმის ნაწილი. ინიციაციის დასრულების შემდეგ, ეს პროტომერი გამოეყოფა ბირთვს და იცვლება დრეკადობის ფაქტორით.
ფუნქციაპროკარიოტები არის თარგმანისა და ტრანსკრიფციის პროცესების ერთობლიობა. რიბოსომები დაუყოვნებლივ უერთდებიან რნმ-ს, რომელიც იწყებს სინთეზს და აშენებს ამინომჟავის ჯაჭვს. ტრანსკრიფცია ჩერდება ტერმინატორის რეგიონში თმის სამაგრის სტრუქტურის წარმოქმნის გამო. ამ ეტაპზე დნმ-პოლიმერაზა-რნმ კომპლექსი იშლება.
ევკარიოტულ უჯრედებში ტრანსკრიფცია ხორციელდება სამი ფერმენტის მიერ:
- RNA პოლიმერაზა l - სინთეზირებს 28S და 18S-რიბოსომურ რნმ-ს.
- RNA პოლიმერაზა ll - ტრანსკრიბს გენებს, რომლებიც აკოდირებენ ცილებს და მცირე ბირთვულ რნმ-ებს.
- RNA პოლიმერაზა lll - პასუხისმგებელია tRNA და 5S rRNA (რიბოზომების მცირე ქვედანაყოფის) სინთეზზე.
არცერთ ამ ფერმენტს არ შეუძლია ტრანსკრიფციის დაწყება სპეციფიური ცილების მონაწილეობის გარეშე, რომლებიც უზრუნველყოფენ პრომოტორთან ურთიერთქმედებას. პროცესის არსი იგივეა, რაც პროკარიოტებში, მაგრამ თითოეული ეტაპი ბევრად უფრო რთულია ფუნქციური და მარეგულირებელი ელემენტების უფრო დიდი რაოდენობის მონაწილეობით, მათ შორის ქრომატინის მოდიფიკაციის ელემენტებით. მხოლოდ დაწყების ეტაპზე დაახლოებით ასამდე ცილაა ჩართული, მათ შორის ტრანსკრიფციის მრავალი ფაქტორი, მაშინ როცა ბაქტერიებში ერთი სიგმა ქვეგანყოფილება საკმარისია პრომოტორთან დასაკავშირებლად და ზოგჯერ საჭიროა აქტივატორის დახმარება.
ტრანსკრიპციის ბიოლოგიური როლის ყველაზე მნიშვნელოვანი წვლილი სხვადასხვა ტიპის ცილების ბიოსინთეზში განსაზღვრავს მკაცრი სისტემის საჭიროებას გენების წაკითხვის კონტროლისთვის.
ტრანსკრიპციის რეგულაცია
არაერთ უჯრედში გენეტიკური მასალა სრულად არ არის რეალიზებული: გენების მხოლოდ ნაწილი ტრანსკრიბირებულია, დანარჩენი კი არააქტიურია. ეს შესაძლებელია კომპლექსის წყალობითმარეგულირებელი მექანიზმები, რომლებიც განსაზღვრავენ, რომელი დნმ-ის სეგმენტებიდან და რა რაოდენობით იქნება სინთეზირებული რნმ-ის თანმიმდევრობა.
ერთუჯრედულ ორგანიზმებში გენების დიფერენციალურ აქტივობას აქვს ადაპტაციური მნიშვნელობა, ხოლო მრავალუჯრედულ ორგანიზმებში ის ასევე განსაზღვრავს ემბრიოგენეზის და ონტოგენეზის პროცესებს, როდესაც ერთი გენომის საფუძველზე წარმოიქმნება სხვადასხვა ტიპის ქსოვილები.
გენის ექსპრესია კონტროლდება რამდენიმე დონეზე. ყველაზე მნიშვნელოვანი ნაბიჯი არის ტრანსკრიფციის რეგულირება. ამ მექანიზმის ბიოლოგიური მნიშვნელობა არის უჯრედის ან ორგანიზმისთვის საჭირო რაოდენობის სხვადასხვა ცილების შენარჩუნება არსებობის კონკრეტულ მომენტში.
არსებობს ბიოსინთეზის კორექტირება სხვა დონეზე, როგორიცაა რნმ-ის დამუშავება, ტრანსლაცია და ტრანსპორტირება ბირთვიდან ციტოპლაზმაში (ეს უკანასკნელი არ არის პროკარიოტებში). როდესაც დადებითად რეგულირდება, ეს სისტემები პასუხისმგებელნი არიან პროტეინის გამომუშავებაზე, რომელიც დაფუძნებულია გააქტიურებულ გენზე, რაც ტრანსკრიფციის ბიოლოგიურ მნიშვნელობას წარმოადგენს. თუმცა, ნებისმიერ ეტაპზე ჯაჭვი შეიძლება შეჩერდეს. ევკარიოტების ზოგიერთი მარეგულირებელი მახასიათებელი (ალტერნატიული პრომოტორები, შეჯვარება, პოლიადენელაციის ადგილების მოდიფიკაცია) იწვევს ცილის მოლეკულების სხვადასხვა ვარიანტების გამოჩენას დნმ-ის იმავე თანმიმდევრობის საფუძველზე.
რადგან რნმ-ის ფორმირება არის პირველი ნაბიჯი გენეტიკური ინფორმაციის გაშიფვრის გზაზე ცილების ბიოსინთეზისკენ, ტრანსკრიპციის პროცესის ბიოლოგიური როლი უჯრედის ფენოტიპის მოდიფიკაციაში ბევრად უფრო მნიშვნელოვანია, ვიდრე დამუშავების ან ტრანსლაციის რეგულირება..
სპეციფიკური გენების აქტივობის განსაზღვრა, როგორც შიროგორც პროკარიოტებში, ასევე ევკარიოტებში, ეს ხდება დაწყების ეტაპზე სპეციფიკური გადამრთველების დახმარებით, რომლებიც მოიცავს დნმ-ის მარეგულირებელ რეგიონებს და ტრანსკრიფციის ფაქტორებს (TF). ასეთი გადამრთველების მუშაობა არ არის ავტონომიური, მაგრამ არის სხვა ფიჭური სისტემების მკაცრი კონტროლის ქვეშ. ასევე არსებობს რნმ-ის სინთეზის არასპეციფიკური რეგულირების მექანიზმები, რომლებიც უზრუნველყოფენ დაწყების, გახანგრძლივების და შეწყვეტის ნორმალურ გავლას.
ტრანსკრიფციის ფაქტორების კონცეფცია
გენომის მარეგულირებელი ელემენტებისგან განსხვავებით, ტრანსკრიფციის ფაქტორები ქიმიურად პროტეინებია. დნმ-ის კონკრეტულ რეგიონებთან შეკავშირებით მათ შეუძლიათ გაააქტიურონ, დათრგუნონ, დააჩქარონ ან შეანელონ ტრანსკრიფციის პროცესი.
წარმოებული ეფექტიდან გამომდინარე, პროკარიოტებისა და ევკარიოტების ტრანსკრიფციის ფაქტორები შეიძლება დაიყოს ორ ჯგუფად: აქტივატორები (იწყებენ ან ზრდიან რნმ-ის სინთეზის ინტენსივობას) და რეპრესორები (თრგუნავენ ან აფერხებენ პროცესს). ამჟამად, 2000-ზე მეტი TFs ნაპოვნია სხვადასხვა ორგანიზმში.
ტრანსკრიპციული რეგულირება პროკარიოტებში
პროკარიოტებში, რნმ-ის სინთეზის კონტროლი ხდება ძირითადად დაწყების ეტაპზე, ტრანსკრიპტონის კონკრეტულ რეგიონთან TF-ის ურთიერთქმედების გამო - ოპერატორი, რომელიც მდებარეობს პრომოტორთან (ზოგჯერ იკვეთება მასთან) და, ფაქტობრივად, არის სადესანტო ადგილი მარეგულირებელი ცილის (აქტივატორი ან რეპრესორი). ბაქტერიებს ახასიათებთ გენების დიფერენციალური კონტროლის კიდევ ერთი გზა - ალტერნატიული σ-ქვეგანყოფილებების სინთეზი, რომლებიც განკუთვნილია პრომოტორების სხვადასხვა ჯგუფისთვის.
ნაწილობრივ ოპერონის გამოხატულებაშეიძლება დარეგულირდეს გახანგრძლივებისა და შეწყვეტის ეტაპებზე, მაგრამ არა დნმ-ის შებოჭვის TF-ების გამო, არამედ რნმ პოლიმერაზასთან ურთიერთქმედების ცილების გამო. მათ შორისაა Gre ცილები და ანტიტერმინატორის ფაქტორები Nus და RfaH.
პროკარიოტებში ტრანსკრიპციის გახანგრძლივება და შეწყვეტა გარკვეულ გავლენას ახდენს ცილის პარალელური სინთეზით. ევკარიოტებში, როგორც თავად ეს პროცესები, ასევე ტრანსკრიფციისა და თარგმანის ფაქტორები ერთმანეთისგან განცალკევებულია სივრცით, რაც ნიშნავს, რომ ისინი არ არიან დაკავშირებული ფუნქციურად.
აქტივატორები და რეპრესორები
პროკარიოტებს აქვთ ტრანსკრიფციის რეგულირების ორი მექანიზმი დაწყების ეტაპზე:
- დადებითი - განხორციელებული აქტივატორი ცილების მიერ;
- უარყოფითი - კონტროლდება რეპრესორების მიერ.
როდესაც ფაქტორი დადებითად რეგულირდება, ფაქტორის მიმაგრება ოპერატორთან ააქტიურებს გენს, ხოლო როცა ის უარყოფითია, პირიქით, თიშავს. მარეგულირებელი ცილის უნარი დნმ-თან შეკავშირებისას დამოკიდებულია ლიგანდის მიმაგრებაზე. ამ უკანასკნელის როლს ჩვეულებრივ ასრულებენ დაბალმოლეკულური წონის უჯრედული მეტაბოლიტები, რომლებიც ამ შემთხვევაში მოქმედებენ როგორც კოაქტივატორები და კორპრესორები.
რეპრესორის მოქმედების მექანიზმი დაფუძნებულია პრომოტორისა და ოპერატორის რეგიონების გადახურვაზე. ამ სტრუქტურის მქონე ოპერონებში, პროტეინის ფაქტორის მიმაგრება დნმ-ზე ხურავს რნმ პოლიმერაზას სადესანტო ადგილის ნაწილს, რაც ხელს უშლის ამ უკანასკნელის ტრანსკრიფციის დაწყებას.
აქტივატორები მუშაობენ სუსტ, დაბალი ფუნქციონირების პრომოტორებზე, რომლებიც ცუდად არის აღიარებული რნმ პოლიმერაზების მიერ ან ძნელად დნება (ცალკე სპირალის ძაფებიტრანსკრიფციის დასაწყებად საჭიროა დნმ). ოპერატორთან შეერთებით ცილოვანი ფაქტორი ურთიერთქმედებს პოლიმერაზასთან, რაც მნიშვნელოვნად ზრდის დაწყების ალბათობას. აქტივატორებს შეუძლიათ ტრანსკრიფციის ინტენსივობის 1000-ჯერ გაზრდა.
ზოგიერთ პროკარიოტულ TF-ს შეუძლია იმოქმედოს როგორც აქტივატორად, ასევე რეპრესორად, დამოკიდებულია ოპერატორის მდებარეობაზე პრომოტორთან მიმართებაში: თუ ეს რეგიონები ერთმანეთს ემთხვევა, ფაქტორი აფერხებს ტრანსკრიფციას, წინააღმდეგ შემთხვევაში ის იწვევს.
| ლიგანდის ფუნქცია | ლიგანდის მდგომარეობა | უარყოფითი რეგულაცია | პოზიტიური რეგულაცია |
| უზრუნველყოფს დნმ-ისგან განცალკევებას | შეერთება | რეპრესორული ცილის მოცილება, გენის გააქტიურება | აქტივატორი ცილის მოცილება, გენის გამორთვა |
| ამატებს დნმ-ს ფაქტორს | წაშლა | რეპრესორის მოცილება, ტრანსკრიპციის ჩართვა | წაშალეთ აქტივატორი, გამორთეთ ტრანსკრიფცია |
უარყოფითი რეგულაცია შეიძლება ჩაითვალოს E. coli ბაქტერიის ტრიპტოფანის ოპერონის მაგალითზე, რომელიც ხასიათდება ოპერატორის მდებარეობით პრომოტორული თანმიმდევრობის ფარგლებში. რეპრესორული ცილა გააქტიურებულია ტრიპტოფანის ორი მოლეკულის მიერთებით, რომლებიც ცვლის დნმ-ის დამაკავშირებელი დომენის კუთხეს ისე, რომ მას შეუძლია შევიდეს ორმაგი სპირალის მთავარ ღარში. ტრიპტოფანის დაბალი კონცენტრაციის დროს რეპრესორი კარგავს თავის ლიგანდს და კვლავ უმოქმედო ხდება. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ტრანსკრიფციის დაწყების სიხშირემეტაბოლიტის რაოდენობის უკუპროპორციულია.
ზოგიერთი ბაქტერიული ოპერონი (მაგალითად, ლაქტოზა) აერთიანებს დადებით და უარყოფით მარეგულირებელ მექანიზმებს. ასეთი სისტემა აუცილებელია, როდესაც ერთი სიგნალი არ არის საკმარისი გამოხატვის რაციონალური კონტროლისთვის. ამრიგად, ლაქტოზას ოპერონი აკოდირებს ფერმენტებს, რომლებიც გადაადგილდებიან უჯრედში და შემდეგ ანადგურებენ ლაქტოზას, ენერგიის ალტერნატიულ წყაროს, რომელიც ნაკლებად მომგებიანია, ვიდრე გლუკოზა. ამიტომ, მხოლოდ ამ უკანასკნელის დაბალი კონცენტრაციით, CAP ცილა უკავშირდება დნმ-ს და იწყებს ტრანსკრიფციას. თუმცა, ეს მიზანშეწონილია მხოლოდ ლაქტოზის თანდასწრებით, რომლის არარსებობა იწვევს ლაქტოზის რეპრესორის გააქტიურებას, რომელიც ბლოკავს პოლიმერაზას წვდომას პრომოტორთან თუნდაც აქტივატორი ცილის ფუნქციური ფორმის არსებობის შემთხვევაში.
ბაქტერიებში ოპერონის სტრუქტურის გამო, რამდენიმე გენს აკონტროლებს ერთი მარეგულირებელი რეგიონი და 1-2 TF, ხოლო ევკარიოტებში ერთ გენს აქვს მარეგულირებელი ელემენტების დიდი რაოდენობა, რომელთაგან თითოეული დამოკიდებულია ბევრ სხვაზე. ფაქტორები. ეს სირთულე შეესაბამება ევკარიოტების და განსაკუთრებით მრავალუჯრედიანი ორგანიზმების ორგანიზების მაღალ დონეს.
მრნმ სინთეზის რეგულირება ევკარიოტებში
ევკარიოტული გენის ექსპრესიის კონტროლი განისაზღვრება ორი ელემენტის კომბინირებული მოქმედებით: ცილის ტრანსკრიფციის ფაქტები (TF) და მარეგულირებელი დნმ-ის თანმიმდევრობები, რომლებიც შეიძლება განთავსდეს პრომოტორთან, მასზე ბევრად უფრო მაღლა, ინტრონებში ან მის შემდეგ. გენი (იგულისხმება კოდირების რეგიონი და არა გენი მისი სრული მნიშვნელობით).
ზოგიერთი მხარე მოქმედებს როგორც გადამრთველი, ზოგი კი არ ურთიერთქმედებსპირდაპირ TF-თან, მაგრამ მისცეს დნმ-ის მოლეკულას მოქნილობა, რომელიც აუცილებელია მარყუჟის მსგავსი სტრუქტურის ფორმირებისთვის, რომელიც თან ახლავს ტრანსკრიპციული აქტივაციის პროცესს. ასეთ რეგიონებს სპაისერებს უწოდებენ. ყველა მარეგულირებელი თანმიმდევრობა პრომოტორთან ერთად ქმნის გენის კონტროლის რეგიონს.
აღსანიშნავია, რომ თავად ტრანსკრიფციის ფაქტორების მოქმედება მხოლოდ გენეტიკური ექსპრესიის რთული მრავალდონიანი რეგულირების ნაწილია, რომელშიც ელემენტების უზარმაზარი რაოდენობა ემატება მიღებულ ვექტორს, რომელიც განსაზღვრავს თუ არა რნმ. საბოლოოდ სინთეზირებული იქნება გენომის კონკრეტული რეგიონიდან.
ბირთვულ უჯრედში ტრანსკრიფციის კონტროლის დამატებითი ფაქტორი არის ქრომატინის სტრუქტურის ცვლილება. აქ წარმოდგენილია როგორც ტოტალური რეგულაცია (მოწოდებული ჰეტეროქრომატინისა და ევქრომატინის რეგიონების განაწილებით) ასევე ადგილობრივი რეგულაცია, რომელიც დაკავშირებულია კონკრეტულ გენთან. იმისათვის, რომ პოლიმერაზა იმუშაოს, დნმ-ის დატკეპნის ყველა დონე, მათ შორის ნუკლეოსომა, უნდა აღმოიფხვრას.
ეუკარიოტებში ტრანსკრიფციის ფაქტორების მრავალფეროვნება დაკავშირებულია რეგულატორების დიდ რაოდენობასთან, რომლებიც მოიცავს გამაძლიერებლებს, მაყუჩებს (გამაძლიერებლებს და მაყუჩებს), ასევე ადაპტერის ელემენტებს და იზოლატორებს. ეს ადგილები შეიძლება განთავსდეს როგორც გენთან ახლოს, ასევე გენთან საკმაოდ დაშორებულ მანძილზე (50 ათასი bp).
გამაძლიერებლები, მაყუჩები და ადაპტერის ელემენტები
გამაძლიერებლები არის მოკლე თანმიმდევრული დნმ, რომელსაც შეუძლია გამოიწვიოს ტრანსკრიფცია მარეგულირებელ ცილასთან ურთიერთობისას. გამაძლიერებლის დაახლოება გენის პრომოტორულ რეგიონთანხორციელდება დნმ-ის მარყუჟის მსგავსი სტრუქტურის ფორმირების გამო. აქტივატორის შეერთება გამაძლიერებელთან ან ასტიმულირებს საწყისი კომპლექსის შეკრებას ან ეხმარება პოლიმერაზას გახანგრძლივებაში.
გამაძლიერებელს აქვს რთული სტრუქტურა და შედგება რამდენიმე მოდულის ადგილისგან, რომელთაგან თითოეულს აქვს საკუთარი მარეგულირებელი ცილა.
მადუმარები არის დნმ-ის რეგიონები, რომლებიც თრგუნავენ ან მთლიანად გამორიცხავს ტრანსკრიფციის შესაძლებლობას. ასეთი გადამრთველის მუშაობის მექანიზმი ჯერ კიდევ უცნობია. ერთ-ერთი ჰიპოთეზირებული მეთოდია დნმ-ის დიდი უბნების ოკუპაცია SIR ჯგუფის სპეციალური ცილების მიერ, რომლებიც ბლოკავს წვდომას დაწყების ფაქტორებზე. ამ შემთხვევაში, ყველა გენი, რომელიც მდებარეობს მაყუჩიდან რამდენიმე ათასი ბაზის წყვილში, გამორთულია.
ადაპტერის ელემენტები კომბინაციაში TF-ებთან, რომლებიც მათ უკავშირდებიან, ქმნიან გენეტიკური გადამრთველების ცალკეულ კლასს, რომლებიც შერჩევით რეაგირებენ სტეროიდულ ჰორმონებზე, ციკლურ AMP-ზე და გლუკოკორტიკოიდებზე. ეს მარეგულირებელი ბლოკი პასუხისმგებელია უჯრედის რეაქციაზე სითბურ შოკზე, ლითონებზე და გარკვეულ ქიმიურ ნაერთებზე ზემოქმედებაზე.
დნმ-ის საკონტროლო უბნებს შორის გამოიყოფა ელემენტების სხვა სახეობა - იზოლატორები. ეს არის სპეციფიკური თანმიმდევრობა, რომელიც ხელს უშლის ტრანსკრიფციის ფაქტორებს შორეულ გენებზე ზემოქმედებისგან. იზოლატორების მოქმედების მექანიზმი ჯერ არ არის განმარტებული.
ევკარიოტული ტრანსკრიფციის ფაქტორები
თუ ბაქტერიებში ტრანსკრიფციის ფაქტორებს აქვთ მხოლოდ მარეგულირებელი ფუნქცია, მაშინ ბირთვულ უჯრედებში არსებობს TF-ების მთელი ჯგუფი, რომლებიც უზრუნველყოფენ ფონურ დაწყებას, მაგრამ ამავე დროს პირდაპირ დამოკიდებულია კავშირზე.დნმ-ის მარეგულირებელი ცილები. ამ უკანასკნელთა რაოდენობა და მრავალფეროვნება ევკარიოტებში უზარმაზარია. ამრიგად, ადამიანის სხეულში ცილის ტრანსკრიფციის ფაქტორების კოდირების პროპორცია შეადგენს გენომის დაახლოებით 10%-ს.
დღემდე კარგად არ არის გასაგები ევკარიოტული TF-ები, ისევე როგორც გენეტიკური გადამრთველების მოქმედების მექანიზმები, რომელთა სტრუქტურა ბევრად უფრო რთულია, ვიდრე ბაქტერიების დადებითი და უარყოფითი რეგულირების მოდელები. ამ უკანასკნელისგან განსხვავებით, ბირთვული უჯრედების ტრანსკრიფციის ფაქტორების აქტივობაზე გავლენას ახდენს არა ერთი ან ორი, არამედ ათობით და თუნდაც ასობით სიგნალი, რომლებსაც შეუძლიათ ერთმანეთის გაძლიერება, შესუსტება ან გამორიცხვა.
ერთის მხრივ, კონკრეტული გენის გააქტიურება მოითხოვს ტრანსკრიფციის ფაქტორების მთელ ჯგუფს, მაგრამ მეორე მხრივ, ერთი მარეგულირებელი ცილა შეიძლება იყოს საკმარისი იმისათვის, რომ გამოიწვიოს რამდენიმე გენის ექსპრესია კასკადის მექანიზმით. მთელი ეს სისტემა წარმოადგენს კომპლექსურ კომპიუტერს, რომელიც ამუშავებს სიგნალებს სხვადასხვა წყაროებიდან (როგორც გარე, ასევე შიდა) და ამატებს მათ ეფექტებს საბოლოო შედეგს პლუს ან მინუს ნიშნით.
ეუკარიოტებში (აქტივატორები და რეპრესორები) მარეგულირებელი ტრანსკრიფციის ფაქტორები არ ურთიერთქმედებენ ოპერატორთან, როგორც ბაქტერიებში, არამედ დნმ-ზე მიმოფანტულ საკონტროლო უბნებთან და გავლენას ახდენენ ინიცირებაზე შუამავლების მეშვეობით, რომლებიც შეიძლება იყოს შუამავალი ცილები, საწყისი კომპლექსის ფაქტორები. და ფერმენტები, რომლებიც ცვლიან ქრომატინის სტრუქტურას.
გარდა ზოგიერთი TF-ისა, რომელიც შედის წინასწარი დაწყების კომპლექსში, ყველა ტრანსკრიფციის ფაქტორს აქვს დნმ-ის დამაკავშირებელი დომენი, რომელიც განასხვავებსისინი მრავალი სხვა ცილისგან, რომლებიც უზრუნველყოფენ ტრანსკრიფციის ნორმალურ გავლას ან მოქმედებენ როგორც შუამავლები მის რეგულირებაში.
ბოლოდროინდელმა კვლევებმა აჩვენა, რომ ევკარიოტული TF-ებს შეუძლიათ გავლენა მოახდინონ ტრანსკრიფციის არა მხოლოდ დაწყებაზე, არამედ გახანგრძლივებაზე.
მრავალფეროვნება და კლასიფიკაცია
ევკარიოტებში არსებობს ცილის ტრანსკრიფციის ფაქტორების 2 ჯგუფი: ბაზალური (სხვაგვარად უწოდებენ ზოგად ან ძირითად) და მარეგულირებელ. პირველები პასუხისმგებელნი არიან პრომოუტერების აღიარებაზე და წინასწარი ინიციაციის კომპლექსის შექმნაზე. საჭიროა ტრანსკრიფციის დასაწყებად. ამ ჯგუფში შედის რამდენიმე ათეული ცილა, რომელიც ყოველთვის იმყოფება უჯრედში და არ ახდენს გავლენას გენების დიფერენციალურ ექსპრესიაზე.
ბაზალური ტრანსკრიფციის ფაქტორების კომპლექსი არის ინსტრუმენტი, რომელიც ფუნქციით მსგავსია ბაქტერიებში სიგმას ქვედანაყოფის, მხოლოდ უფრო რთული და შესაფერისია ყველა ტიპის პრომოტორებისთვის.
სხვა ტიპის ფაქტორები გავლენას ახდენენ ტრანსკრიფციაზე დნმ-ის მარეგულირებელ თანმიმდევრობებთან ურთიერთქმედების გზით. ვინაიდან ეს ფერმენტები გენის სპეციფიკურია, მათი დიდი რაოდენობაა. სპეციფიკური გენების რეგიონებთან შეკავშირებით, ისინი აკონტროლებენ გარკვეული ცილების სეკრეციას.
ეუკარიოტებში ტრანსკრიფციის ფაქტორების კლასიფიკაცია ეფუძნება სამ პრინციპს:
- მოქმედების მექანიზმი;
- ფუნქციონირების პირობები;
- სტრუქტურა.
დნმ-ის დამაკავშირებელი დომენის
პირველი მახასიათებლის მიხედვით, არსებობს ფაქტორების 2 კლასი: ბაზალური (ურთიერთქმედება პრომოტორთან) და შემაკავშირებელი ზედა დინების რეგიონებთან (მარეგულირებელი რეგიონები, რომლებიც მდებარეობს გენის ზემოთ). ამ სახისკლასიფიკაცია არსებითად შეესაბამება TF-ის ფუნქციურ დაყოფას ზოგად და კონკრეტულად. ზედა დინების ფაქტორები იყოფა 2 ჯგუფად დამატებითი აქტივაციის საჭიროებიდან გამომდინარე.
ფუნქციონირების თავისებურებების მიხედვით, კონსტიტუციური TFs განასხვავებენ (ყოველთვის გვხვდება ნებისმიერ უჯრედში) და ინდუცირებულნი (არ არის დამახასიათებელი ყველა ტიპის უჯრედისთვის და შეიძლება მოითხოვონ გარკვეული აქტივაციის მექანიზმები). მეორე ჯგუფის ფაქტორები, თავის მხრივ, იყოფა უჯრედის სპეციფიკურ (მონაწილეობენ ონტოგენეზში, ხასიათდებიან გამოხატვის მკაცრი კონტროლით, მაგრამ არ საჭიროებენ აქტივაციას) და სიგნალზე დამოკიდებულებად. ეს უკანასკნელი დიფერენცირებულია გამააქტიურებელი სიგნალის ტიპისა და მოქმედების რეჟიმის მიხედვით.
პროტეინის ტრანსკრიფციის ფაქტორების სტრუქტურული კლასიფიკაცია ძალიან ვრცელია და მოიცავს 6 სუპერკლასს, რომელიც მოიცავს მრავალ კლასს და ოჯახს.
ოპერაციის პრინციპი
ბაზალური ფაქტორების ფუნქციონირება არის სხვადასხვა ქვედანაყოფის კასკადური შეკრება დაწყების კომპლექსის წარმოქმნით და ტრანსკრიფციის გააქტიურებით. სინამდვილეში, ეს პროცესი არის აქტივატორი ცილის მოქმედების ბოლო ეტაპი.
კონკრეტულ ფაქტორებს შეუძლიათ ტრანსკრიფციის რეგულირება ორ ეტაპად:
- საინიციაციო კომპლექსის შეკრება;
- გადასასვლელი პროდუქტიულ დრეკადობაზე.
პირველ შემთხვევაში, სპეციფიკური TF-ების მუშაობა მცირდება ქრომატინის პირველად გადაწყობამდე, ასევე შუამავლის, პოლიმერაზის და ბაზალური ფაქტორების რეკრუტირებამდე, ორიენტაციამდე და მოდიფიკაციამდე პრომოტორზე, რაც იწვევს გააქტიურებას. ტრანსკრიფციის. სიგნალის გადაცემის მთავარი ელემენტია შუამავალი - 24 ქვედანაყოფის კომპლექსი, რომელიც მოქმედებსროგორც შუამავალი მარეგულირებელ ცილასა და რნმ პოლიმერაზას შორის. ურთიერთქმედების თანმიმდევრობა ინდივიდუალურია თითოეული გენისთვის და მისი შესაბამისი ფაქტორისთვის.
დრეკადობის რეგულირება ხორციელდება ფაქტორის P-Tef-b ცილასთან ურთიერთქმედების გამო, რომელიც ეხმარება რნმ პოლიმერაზას გადალახოს პრომოტორთან დაკავშირებული პაუზა.
TF-ის ფუნქციური სტრუქტურები
ტრანსკრიფციის ფაქტორებს აქვთ მოდულარული სტრუქტურა და ასრულებენ თავიანთ მუშაობას სამი ფუნქციური დომენის მეშვეობით:
- დნმ-დაკავშირება (DBD) - საჭიროა გენის მარეგულირებელ რეგიონთან ამოცნობისა და ურთიერთქმედებისთვის.
- ტრანს-გააქტიურება (TAD) - საშუალებას იძლევა ურთიერთქმედება სხვა მარეგულირებელ ცილებთან, მათ შორის ტრანსკრიფციის ფაქტორებთან.
- სიგნალის ამომცნობი (SSD) - საჭიროა მარეგულირებელი სიგნალების აღქმისა და გადაცემისთვის.
თავის მხრივ, დნმ-ის დამაკავშირებელ დომენს მრავალი ტიპი აქვს. მის სტრუქტურაში ძირითადი მოტივებია:
- "თუთიის თითები";
- homeodomain;
- "β"-ფენები;
- მარყუჟები;
- "ლეიცინის ელვა";
- spiral-loop-spiral;
- spiral-turn-spiral.
ამ დომენის წყალობით, ტრანსკრიფციის ფაქტორი "კითხულობს" დნმ-ის ნუკლეოტიდურ თანმიმდევრობას ორმაგი სპირალის ზედაპირზე ნიმუშის სახით. ამის გამო შესაძლებელია გარკვეული მარეგულირებელი ელემენტების სპეციფიკური აღიარება.
მოტივების ურთიერთქმედება დნმ-ის სპირალთან ემყარება ამ ზედაპირებს შორის ზუსტ შესაბამისობას.მოლეკულები.
TF-ის რეგულირება და სინთეზი
ტრანსკრიფციაზე ტრანსკრიპციის ფაქტორების გავლენის რეგულირების რამდენიმე გზა არსებობს. ეს მოიცავს:
- აქტივაცია - ფაქტორის ფუნქციონალურობის ცვლილება დნმ-თან მიმართებაში ფოსფორილირების, ლიგანდის მიმაგრების ან სხვა მარეგულირებელ ცილებთან (მათ შორის TF) ურთიერთქმედების გამო;
- ტრანსლოკაცია - ფაქტორის ტრანსპორტირება ციტოპლაზმიდან ბირთვში;
- შეკავშირების ადგილის ხელმისაწვდომობა - დამოკიდებულია ქრომატინის კონდენსაციის ხარისხზე (ჰეტეროქრომატინის მდგომარეობაში დნმ მიუწვდომელია TF-სთვის);
- მექანიზმების კომპლექსი, რომელიც ასევე დამახასიათებელია სხვა პროტეინებისთვის (ყველა პროცესის რეგულირება ტრანსკრიპციიდან პოსტტრანსლაციურ მოდიფიკაციამდე და უჯრედშიდა ლოკალიზაციამდე).
ბოლო მეთოდი განსაზღვრავს ტრანსკრიფციის ფაქტორების რაოდენობრივ და ხარისხობრივ შემადგენლობას თითოეულ უჯრედში. ზოგიერთ TF-ს შეუძლია დაარეგულიროს მათი სინთეზი კლასიკური უკუკავშირის ტიპის მიხედვით, როდესაც საკუთარი პროდუქტი ხდება რეაქციის ინჰიბიტორი. ამ შემთხვევაში ფაქტორის გარკვეული კონცენტრაცია აჩერებს მის მაკოდირებელი გენის ტრანსკრიფციას.
ტრანსკრიფციის ზოგადი ფაქტორები
ეს ფაქტორები აუცილებელია ნებისმიერი გენის ტრანსკრიფციის დასაწყებად და ნომენკლატურაში მითითებულია, როგორც TFl, TFll და TFlll, დამოკიდებულია რნმ პოლიმერაზას ტიპზე, რომელთანაც ისინი ურთიერთქმედებენ. თითოეული ფაქტორი შედგება რამდენიმე ქვედანაყოფისგან.
ბაზალური TFs ასრულებს სამ ძირითად ფუნქციას:
- სწორი მდებარეობა რნმ პოლიმერაზა პრომოტორზე;
- დნმ-ის ჯაჭვების გახსნა ტრანსკრიპციის დაწყების რეგიონში;
- განთავისუფლებაპრომოტორი დრეკადობაზე გადასვლის მომენტში;
პოლიმერაზას
ბაზალური ტრანსკრიფციის ფაქტორების გარკვეული ქვედანაყოფი უკავშირდება პრომოტორ მარეგულირებელ ელემენტებს. ყველაზე მნიშვნელოვანია TATA ყუთი (არ არის დამახასიათებელი ყველა გენისთვის), რომელიც მდებარეობს დაწყების წერტილიდან "-35" ნუკლეოტიდების დაშორებით. სხვა სავალდებულო ადგილები მოიცავს INR, BRE და DPE თანმიმდევრობებს. ზოგიერთი TF პირდაპირ არ უკავშირდება დნმ-ს.
რნმ პოლიმერაზა ll-ის ძირითადი ტრანსკრიფციის ფაქტორების ჯგუფში შედის TFllD, TFllB, TFllF, TFllE და TFllH. აღნიშვნის ბოლოს ლათინური ასო მიუთითებს ამ ცილების გამოვლენის თანმიმდევრობას. ამრიგად, ფაქტორი TFlllA, რომელიც მიეკუთვნება lll რნმ პოლიმერაზას, პირველი იყო იზოლირებული.
| სახელი | ცილის ქვედანაყოფების რაოდენობა | ფუნქცია |
| TFllD | 16 (TBP +15 TAFs) | TBP აკავშირებს TATA ყუთს და TAF ცნობს სხვა პრომოტორების თანმიმდევრობას |
| TFllB | 1 | აცნობს BRE ელემენტს, ზუსტად ახდენს ორიენტირებას პოლიმერაზას დაწყების ადგილზე |
| TFllF | 3 | ასტაბილურებს პოლიმერაზას ურთიერთქმედებას TBP-თან და TFllB-თან, აადვილებს TFllE და TFllH |
| TFllE | 2 | აკავშირებს და არეგულირებს TFllH |
| TFllH | 10 | ჰყოფს დნმ-ის ჯაჭვებს დაწყების ადგილზე, ათავისუფლებს რნმ-ის სინთეზირებელ ფერმენტს პრომოტორისგან და ძირითადი ტრანსკრიფციის ფაქტორებისგან (ბიოქიმიაპროცესი ეფუძნება რნმ პოლიმერაზას Cer5-C-ტერმინალური დომენის ფოსფორილირებას) |
ბაზალური TF-ის აწყობა ხდება მხოლოდ აქტივატორის, შუამავლის და ქრომატინის მოდიფიკაციის ცილების დახმარებით.
სპეციფიკური TF
გენეტიკური ექსპრესიის კონტროლის მეშვეობით, ეს ტრანსკრიფციული ფაქტორები არეგულირებს როგორც ცალკეული უჯრედების, ასევე მთელი ორგანიზმის ბიოსინთეზურ პროცესებს, ემბრიოგენეზიდან წვრილ ფენოტიპურ ადაპტაციამდე და გარემო პირობების შეცვლამდე. TF-ის გავლენის სფერო მოიცავს 3 ძირითად ბლოკს:
- განვითარება (ემბრიონ- და ონტოგენეზი);
- უჯრედული ციკლი;
- პასუხი გარე სიგნალებზე.
ტრანსკრიფციის ფაქტორების სპეციალური ჯგუფი არეგულირებს ემბრიონის მორფოლოგიურ დიფერენციაციას. ეს პროტეინის ნაკრები დაშიფრულია სპეციალური 180 bp კონსენსუსის თანმიმდევრობით, რომელსაც ჰქვია homeobox.
იმისათვის, რომ განვსაზღვროთ რომელი გენის ტრანსკრიფცია უნდა მოხდეს, მარეგულირებელი ცილა უნდა „იპოვოს“და დაუკავშირდეს დნმ-ის სპეციფიკურ ადგილს, რომელიც მოქმედებს როგორც გენეტიკური გადამრთველი (გამაძლიერებელი, დამამშვიდებელი და ა.შ.). ყოველი ასეთი თანმიმდევრობა შეესაბამება ერთ ან მეტ დაკავშირებულ ტრანსკრიფციის ფაქტორს, რომლებიც ცნობენ სასურველ ადგილს სპირალის კონკრეტული გარე სეგმენტის ქიმიური კონფორმაციებისა და დნმ-ის დამაკავშირებელი დომენის დამთხვევის გამო (გასაღების დაბლოკვის პრინციპი). ამოცნობისთვის გამოიყენება დნმ-ის პირველადი სტრუქტურის რეგიონი, რომელსაც ეწოდება ძირითადი ღარი.
დნმ-ის მოქმედებასთან შეკავშირების შემდეგაქტივატორი ცილა იწვევს თანმიმდევრული ნაბიჯების სერიას, რომელიც იწვევს პრეინიციატორის კომპლექსის შეკრებას. ამ პროცესის განზოგადებული სქემა ასეთია:
- აქტივატორი, რომელიც აკავშირებს ქრომატინს პრომოტორულ რეგიონში, ATP-დამოკიდებული გადაწყობის კომპლექსების რეკრუტირება.
- ქრომატინის გადაწყობა, ჰისტონ-მოდიფიკაციის ცილების გააქტიურება.
- ჰისტონის კოვალენტური მოდიფიკაცია, სხვა აქტივატორი ცილების მიზიდულობა.
- დაკავშირება დამატებითი გამააქტიურებელი ცილების გენის მარეგულირებელ რეგიონთან.
- მედიატორის ჩართვა და ზოგადი TF.
- წინასწარი დაწყების კომპლექსის აწყობა პრომოტორზე.
- სხვა აქტივატორი ცილების გავლენა, წინასწარი დაწყების კომპლექსის ქვედანაყოფების გადაწყობა.
- დაიწყე ტრანსკრიფცია.
ამ მოვლენების თანმიმდევრობა შეიძლება განსხვავდებოდეს გენიდან გენამდე.
გააქტიურების მექანიზმების ასეთ დიდ რაოდენობას შეესაბამება რეპრესიის მეთოდების თანაბრად ფართო სპექტრი. ანუ, დაწყების გზაზე ერთ-ერთი ეტაპის დათრგუნვით, მარეგულირებელ პროტეინს შეუძლია შეამციროს მისი ეფექტურობა ან მთლიანად დაბლოკოს იგი. ყველაზე ხშირად, რეპრესორი ააქტიურებს რამდენიმე მექანიზმს ერთდროულად, რაც უზრუნველყოფს ტრანსკრიპციის არარსებობას.
გენების კოორდინირებული კონტროლი
მიუხედავად იმისა, რომ თითოეულ ტრანსკრიპტონს აქვს საკუთარი მარეგულირებელი სისტემა, ევკარიოტებს აქვთ მექანიზმი, რომელიც საშუალებას აძლევს, ბაქტერიების მსგავსად, დაიწყოს ან შეაჩეროს გენების ჯგუფები, რომლებიც მიმართულია კონკრეტული ამოცანის შესასრულებლად. ეს მიიღწევა ტრანსკრიპციის განმსაზღვრელი ფაქტორით, რომელიც ასრულებს კომბინაციებსსხვა მარეგულირებელი ელემენტები, რომლებიც აუცილებელია გენის მაქსიმალური აქტივაციის ან ჩახშობისთვის.
ტრანსკრიპტონებში, რომლებიც ექვემდებარება ასეთ რეგულირებას, სხვადასხვა კომპონენტის ურთიერთქმედება იწვევს ერთსა და იმავე პროტეინს, რომელიც მოქმედებს როგორც მიღებული ვექტორი. ამიტომ, ასეთი ფაქტორის გააქტიურება ერთდროულად რამდენიმე გენზე მოქმედებს. სისტემა მუშაობს კასკადის პრინციპით.
კოორდინირებული კონტროლის სქემა შეიძლება განვიხილოთ ჩონჩხის კუნთების უჯრედების ონტოგენეტიკური დიფერენციაციის მაგალითზე, რომელთა წინამორბედები არიან მიობლასტები.
მომწიფებული კუნთოვანი უჯრედისთვის დამახასიათებელი ცილების სინთეზის კოდირების გენების ტრანსკრიფცია გამოწვეულია ოთხი მიოგენური ფაქტორიდან რომელიმე: MyoD, Myf5, MyoG და Mrf4. ეს პროტეინები ააქტიურებენ საკუთარი თავის და ერთმანეთის სინთეზს და ასევე შეიცავს გენებს დამატებით ტრანსკრიფციის ფაქტორის Mef2-ისა და სტრუქტურული კუნთების პროტეინებისთვის. Mef2 ჩართულია მიობლასტების შემდგომი დიფერენციაციის რეგულირებაში, იმავდროულად ინარჩუნებს მიოგენური ცილების კონცენტრაციას დადებითი უკუკავშირის მექანიზმით.
