Кіріспе

ДНК транскрипциясының жылдамдығын реттейтін белок. Молекулалық биологияда транскрипция факторы (ТФ) (немесе тізбекке тән ДНК-ны байланыстыратын фактор) – белгілі бір ДНК тізбегіне байланысу арқылы ДНК-дан хабаршы РНК-ға генетикалық ақпараттың транскрипция жылдамдығын басқаратын белок. ТФ-тардың функциясы – гендерді қосу және өшіру арқылы олардың клетка мен организмнің өмір бойында қажетті жасушаларда дұрыс уақытта және дұрыс мөлшерде экспрессиялануын қамтамасыз ету. ТФ-тар тобы үйлесімді түрде клетканың бөлінуін, өсуін және клеткалық өлімді басқарады; жасушалардың қозғалуын және ұйымдасуын (дене құрылысын) эмбриональды даму кезінде; сондай-ақ жасушадан тыс сигналдарға, мысалы гормондарға жауап ретінде үзіліс-үзіліс жұмыс істейді. Адам геномында шамамен 1600 ТФ бар. Транскрипция факторлары протеом мен регулом құрамына кіреді. ТФ-тар жеке немесе басқа белоктармен бірге кешенде жұмыс істейді, РНК полимеразаның (ДНК-дан РНК-ға генетикалық ақпаратты транскрипциялайтын фермент) белгілі бір гендерге тартылуын (активатор ретінде) немесе тоқтатуын (репрессор ретінде) қамтамасыз етеді. ТФ-тардың ерекшелігі – олардың құрамында кем дегенде бір ДНК байланыстыру домені (ДБД) болады, ол олар реттейтін гендерге жақын ДНК-ның белгілі бір тізбектеріне қосылады. ТФ-тар ДБД-ге сәйкес жіктемелерге бөлінеді. ТФ-тар медицинада маңызды, себебі ТФ-тардың мутациялары нақты ауруларды тудыруы мүмкін, ал дәрі-дәрмектер оларға бағытталған болуы мүмкін.

Функция

Транскрипция факторлары – ДНК-дағы генетикалық "көк жоспарды" оқып, түсіндіретін ақуыздардың бір тобы. Олар ДНК-ға байланысып, геннің транскрипциясын жоғарылатуға немесе төмендетуге көмектеседі. Сондықтан, олар көптеген маңызды жасуша процестері үшін өте қажет. Төменде транскрипция факторларының қатысатын маңызды функциялары мен биологиялық рөлдерінің бірнешеуі келтірілген:

Базальді транскрипциялық реттеу

Эукариоттарда транскрипцияның жүзеге асуы үшін жалпы транскрипция факторлары (GTF) деп аталатын транскрипция факторларының маңызды класы қажет. Осы GTF-тердің көпшілігі ДНҚ-ға тікелей байланыспайды, бірақ РНК полимеразамен тікелей өзара әрекеттесетін үлкен транскрипция алдын ала басталу кешенінің құрамына кіреді. Ең көп таралған GTF-тер – TFIIA, TFIIB, TFIID (сонымен қатар TATA байланыстырушы ақуыз), TFIIE, TFIIF және TFIIH. Алдын ала басталу кешені олар реттейтін геннің алдындағы ДНҚ-ның промоторлық аймақтарына байланысады.

Транскрипцияның дифференциалды күшеюі

Басқа транскрипциялық факторлар түрлі гендердің экспрессиясын реттелетін гендерге жақын ДНК-ның күшін арттырушы аймақтарына байланысу арқылы әртүрлі реттейді. Бұл транскрипциялық факторлар гендердің организмнің өзгеретін қажеттіліктеріне сәйкес, дұрыс жасушада, дұрыс уақытта және дұрыс мөлшерде экспрессиялануын қамтамасыз етуде маңызды рөл атқарады.

Даму

Көпжасушалы организмдердің дамуына көптеген транскрипция факторлары қатысады. Сыртқы әсерлерге жауап ретінде, бұл транскрипция факторлары тиісті гендердің транскрипциясын қосып немесе өшіріп, жасуша морфологиясының өзгеруіне немесе жасуша тағдырын анықтау және жасушалық дифференциация үшін қажетті жасушалық белсенділіктің өзгеруіне жағдай жасайды. Мысалы, Хокс транскрипция факторлары отбасысы жеміс шыбындарынан бастап адамға дейінгі әртүрлі организмдерде дұрыс дене пішінінің қалыптасуы үшін маңызды. Тағы бір мысал – жынысты анықтау аймағы Y (SRY) генімен кодталатын транскрипция факторы, ол адамдарда жынысты анықтауда маңызды рөл атқарады.

Жасушааралық сигналдарға жауап беру

Жасушалар бір-бірімен басқа қабылдағыш жасушада сигналдық каскадтарды тудыратын молекулаларды бөліп шығу арқылы байланыса алады. Егер сигнал қабылдаушы жасушадағы гендердің экспрессиясын арттыру немесе азайтуды талап етсе, көбінесе транскрипция факторлары сигналдық каскадтың соңында орналасады. Эстрогендік сигнал беру – эстроген рецепторы транскрипция факторларын қамтитын салыстырмалы түрде қысқа сигналдық каскадтың мысалы: эстроген жұмыртқалықтар және плацента сияқты тіндерден бөлінеді, қабылдаушы жасушаның жасушалық мембранасынан өтеді және жасушаның цитоплазмасындағы эстроген рецепторымен байланысады. Эстроген рецепторы содан кейін жасушаның ядросына өтеді және ДНК-мен байланысу орындарына байланысып, байланысты гендердің транскрипциялық реттелуін өзгертеді.

Қоршаған ортаға жауап беру

Транскрипция факторлары биологиялық стимулдармен байланысты сигналдық каскадтардың төменгі ағысында ғана емес, сонымен қатар қоршаған ортаның стимулдарына қатысты сигналдық каскадтардың төменгі ағысында да әрекет етеді. Мысалға, жоғары температурада тіршілік етуге қажетті гендерді күшейтіп өршітетін жылу соққысы факторын (HSF), төмен оттегі концентрациясында жасушаның тіршілік етуіне қажетті гендерді күшейтіп өршітетін гипоксияға ынталандыратын факторды (HIF) және жасушадағы липид деңгейін қалыпқа келтіруге көмектесетін стерол реттегіш элементке байланыстыратын белокты (SREBP) келтіруге болады.

Ұяшық циклын басқару

Көптеген транскрипциялық факторлар, әсіресе кейбір протоонкогендер немесе ісікке қарсы гендер, жасуша циклын реттеуге көмектеседі және осылайша жасушаның қаншалықты үлкен болатынын және екі дочер жасушаға қашан бөлінетінін анықтайды. Мысал ретінде Myc онкогенін келтіруге болады, ол жасушаның өсуі мен апоптоз процесінде маңызды рөл атқарады.

Патогенез

Транскрипция факторлары патогенезді күшейту үшін қабылдаушы жасушадағы гендік экспрессияны өзгерту үшін де қолданылуы мүмкін. Бұған Ксантомонас бактериясы секрециялайтын транскрипцияны белсендіретін эффектторлар (TAL эффектторлары) жақсы зерттелген мысал. Өсімдіктерге инъекцияланған кезде, бұл ақуыздар өсімдік жасушасының ядросына еніп, өсімдік промоторлық тізбектеріне байланысып, бактериялық инфекцияға көмектесетін өсімдік гендерінің транскрипциясын белсендіре алады. TAL эффектторларында орталық қайталану аймағы бар, онда екі маңызды қалдықтардың тізбектеліп қайталануы мен TAL эффектторының таңдаулы орнындағы тізбектеліп орналасқан ДНК негіздерінің арасында қарапайым байланыс бар. Бұл қасиет осы ақуыздардың эволюциялануын жеңілдетеді, осылайша қабылдаушы жасушаның қорғаныс механизмдерімен тиімдірек бәсекелесуге мүмкіндік береді.

Реттеу

Биологияда маңызды процестердің көп деңгейлі реттелуі мен бақылануы жиі кездеседі. Бұл транскрипция факторларына да қатысты: Транскрипция факторлары клеткаға қолжетімді ген өнімдерінің (РНК және белок) мөлшерін реттеу үшін транскрипция жылдамдығын ғана емес, сонымен қатар өздерінің де реттелуіне жауапты (көбінесе басқа транскрипция факторлары арқылы). Төменде транскрипция факторларының белсенділігін реттеудің кейбір әдістерінің қысқаша шолуы берілген:

Синтез

Транскрипция факторлары (барлық ақуыздар сияқты) хромосомадағы геннен РНК-ға транскрипцияланады, содан кейін РНК ақуызға аударылады. Бұл қадамдардың кез келгенін транскрипция факторының өндірісіне (демек, оның активтілігіне) әсер ету үшін реттеуге болады. Осының салдарынан транскрипция факторлары өздерін-өз реттей алады. Мысалы, теріс кері байланыс циклында транскрипция факторы өзінің репрессоры болып табылады: егер транскрипция факторының ақуызы өзінің генінің ДНК-сына байланысса, ол өзінің өндірісін төмендетеді. Бұл жасушада транскрипция факторының деңгейін төмен ұстап тұрудың бір механизмі.

Ядролық локализация

Эукариоттарда транскрипция факторлары (көптеген ақуыздар сияқты) ядрода транскрипцияланады, бірақ содан кейін жасушаның цитоплазмасында аударылады. Ядрода белсенді көптеген ақуыздар ядроға бағыттайтын ядролық локализациялық сигналдарды қамтиды. Алайда, көптеген транскрипция факторлары үшін бұл олардың реттелуіндегі маңызды кезең. Транскрипция факторларының маңызды кластары, мысалы кейбір ядролық рецепторлар, ядроға көшу үшін алдымен цитоплазмада лигандқа байланысуы керек. Көптеген транскрипция факторлары, мысалы STAT ақуыздары, ДНК-ға байланысу үшін фосфорилирленуі керек. Басқа транскрипция факторларымен (мысалы, гомо- немесе гетеро-димеризация) немесе корегуляторлық ақуыздармен өзара әрекеттесу.

ДНҚ-ны байлау орнына қол жетімділік

Эукариоттарда ДНК гистондардың көмегімен нуклеосомалар деп аталатын тығыз бөлшектерге ұйымдастырылады, онда шамамен 147 ДНК негіз жұбы гистон ақуыздарының октамерлерінің айналасында ~1,65 рет айналады. Нуклеосомалардың ішіндегі ДНК көптеген транскрипция факторлары үшін қолжетімсіз болады. Бірақ, пионерлік факторлар деп аталатын кейбір транскрипция факторлары нуклеосомалық ДНК-дағы өздерінің ДНК байланысу орындарына байлана алады. Көптеген басқа транскрипция факторлары үшін нуклеосоманы хроматин ремоделяторлары сияқты молекулалық моторлар белсенді түрде ашуы қажет. Сонымен қатар, нуклеосома термиялық флуктуациялар арқылы жартылай ашылып, транскрипция факторының байланысу орнына уақытша қол жеткізуге мүмкіндік береді. Көп жағдайларда транскрипция факторы өзінің ДНК байланысу орны үшін басқа транскрипция факторларымен және гистондармен немесе гистон емес хроматин ақуыздарымен бәсекелесуі керек. Транскрипция факторлары мен басқа ақуыздар жұптары бір генді реттеуде антагонистік рөл (активатор және репрессор) атқара алады.

Басқа кофакторлардың/транскрипция факторларының болуы

Транскрипциялық факторлардың көпшілігі жеке жұмыс істемейді. Көптеген ірі ТФ отбасылары димеризация арқылы күрделі гомотиптік немесе гетеротиптік өзара әрекеттесулер құрайды. Геннің транскрипциясы үшін бірнеше транскрипциялық факторлар ДНК-ның реттеуші тізбектеріне байланысуы тиіс. Бұл транскрипциялық факторлардың жиынтығы, өз кезегінде, преинициациялық кешенді және РНК полимеразаның тиімді тартылуын қамтамасыз ететін кофакторлар сияқты аралық ақуыздарды тартады. Осылайша, бір транскрипциялық фактор транскрипцияны бастау үшін, осы басқа ақуыздардың барлығы да болуы керек, және транскрипциялық фактор қажет болған жағдайда оларға байланыса алатын жағдайда болуы керек. Кофакторлар – транскрипциялық факторлардың әсерін модуляциялайтын ақуыздар. Кофакторлар нақты ген промоторлары арасында алмаса алады; промотор ДНК-ны алып жатқан ақуыз кешені және кофактордың аминқышқылдық тізбегі оның кеңістіктік конформациясын анықтайды. Мысалы, кейбір стероид рецепторлары NF κB-мен кофакторларды алмастыра алады, ол қабыну мен жасушалық дифференциация арасындағы ауыстырғыш болып табылады; осылайша стероидтар белгілі бір тіндердің қабыну реакциясы мен функциясына әсер етуі мүмкін.

Метилирленген цитозинмен өзара әсерлесу

Транскрипция факторлары және ДНК-дағы метилделген цитозиндер ген экспрессиясын реттеуде маңызды рөл атқарады. (ДНК-дағы цитозиннің метилденуі негізінен цитозиннен кейін 5'-ден 3'-ге дейінгі ДНК тізбегінде гуанин келетін жерде, яғни CpG сайтында жүзеге асады.) Геннің промотор аймағындағы CpG сайттарының метилденуі әдетте геннің транскрипциясын басады, ал ген денесіндегі CpG-нің метилденуі экспрессияны арттырады. TET ферменттері метилделген цитозиндерді деметилдендіруде орталық рөл атқарады. TET ферментінің активтілігі арқылы ген промоторындағы CpG-нің деметилденуі геннің транскрипциясын арттырады. 519 транскрипция факторының ДНК-ға байланысу орындары бағаланды. Олардың ішінде 169 транскрипция факторында (33%) байланысу орындарында CpG динуклеотидтері болмады, ал 33 транскрипция факторы (6%) CpG-ні қамтитын мотивке байланыса алды, бірақ метилделген немесе метилделмеген CpG-ге байланысу орнына қатысты артықшылық танытпады. 117 транскрипция факторы (23%) байланысу тізбегінде метилделген CpG сайты болған жағдайда байланысудан тежелді, 175 транскрипция факторы (34%) байланысу тізбегінде метилделген CpG сайты болған жағдайда байланысуы күшейді, ал 25 транскрипция факторы (5%) метилделген CpG байланысу тізбегінде қай жерде орналасқандығына байланысты тежелді немесе байланысуы күшейді. TET ферменттері метилцитозинге арнайы байланыспайды, тек оны тартқан кезде ғана (ДНК деметилденуін қараңыз). Жасуша дифференциациясы және тектік белгілеуде маңызды бірнеше транскрипция факторлары, соның ішінде NANOG, SALL4A, WT1, EBF1, PU.1 және E2A, метилцитозинге (негізінен күшейткіштерге) әсер ету үшін TET ферменттерін белгілі бір геномдық локустарға (негізінен күшейткіштерге) тартады және оны гидроксиметилцитозинге (hmC) түрлендіреді (және көп жағдайда оларды цитозинге толық деметилдену үшін белгілейді). TET-тің mC-ні hmC-ге түрлендіруі 5mC байланыстыратын ақуыздардың, соның ішінде MECP2 және MBD (метил CpG байланыстыратын домен) ақуыздарының байланысын бұзады, нуклеосомалардың қайта құрылуына және транскрипция факторларының байланысуына көмектеседі, осылайша осы гендердің транскрипциясын белсендіреді. EGR1 – естелік қалыптасудағы маңызды транскрипция факторы. Ол ми нейрондарының эпигенетикалық қайта бағдарламалануында маңызды рөл атқарады. Транскрипция факторы EGR1 ДНК деметилдену жолын бастайтын TET1 ақуызын тартады. EGR1, TET1-мен бірге, ми дамуы және оқу кезінде ми ДНК-сындағы метилдену орындарының таралуын бағдарлайды (оқу мен есте сақтаудағы эпигенетиканы қараңыз).

ДНҚ-мен байланысу доманы

Транскрипция факторларының ДНК-ға байланысатын бөлігі (домені) ДНК-ға байланысатын домені деп аталады. Төменде ДНК-ны байланысатын домендер/транскрипциялық факторлардың кейбір негізгі отбасыларының ішінара тізімі келтірілген:

Family InterPro Pfam SCOP basic helix loop helix basic leucine zipper (bZIP) екі бөлікті жауап регуляторларының C терминалды эффектір домені AP2/ERF/GCC box helix turn helix homeodomain ақуыздары, homeobox гендерімен кодталған, транскрипциялық факторлар болып табылады. Гомеодоменді ақуыздар дамуды реттеуде маңызды рөл атқарады. lambda репрессорға ұқсас srf-қа ұқсас (серомдық жауап факторы) жұпталған қорап қанатты спираль цинк саусақтары * көп доменді Cys2His2 цинк саусақтары * Zn2/Cys6 * Zn2/Cys8 ядролық рецептор цинк саусағы.

Жауап элементтері

Транскрипция факторы байланатын ДНҚ тізбегі транскрипция факторының байлау орны немесе жауап элементі деп аталады. Транскрипция факторлары электрстатикалық (сутекті байланыстар оның ерекше жағдайы) және Ван дер Ваальс күштерінің үйлесімін пайдалана отырып, байланысу орындарымен өзара әрекеттеседі. Осы химиялық өзара әрекеттесулердің сипатына байланысты, көптеген транскрипция факторлары ДНҚ-ны белгілі бір реттілікке сәйкес байлайды. Дегенмен, транскрипция факторының байлау орнындағы барлық негіздер транскрипция факторымен өзара әрекеттеспеуі мүмкін. Сонымен қатар, кейбір өзара әрекеттесулер басқаларына қарағанда әлсіз болуы мүмкін. Сондықтан, транскрипция факторлары бір ғана тізбекке байланбайды, бірақ әрқайсысы әртүрлі күшпен өзара әрекеттесетін, жақын туысқан тізбектердің кіші жиынтығына байлануға қабілетті. Мысалы, TATA байланыстырушы белоктың (TBP) консенсус байлау орны TATAAAA болғанымен, TBP транскрипция факторы TATATAT немесе TATATAA сияқты ұқсас тізбектерге де байлануы мүмкін. Транскрипция факторлары байланысты тізбектер жиынтығына байлануға қабілетті және осы тізбектердің ұзындығы шамалы болғандықтан, ДНҚ тізбегі жеткілікті ұзын болса, транскрипция факторының байлау орындары кездейсоқ түрде пайда болуы мүмкін. Алайда, транскрипция факторы жасуша геномындағы барлық үйлесімді тізбектерге байлана қоймайды. ДНҚ-ның жасушада қолжетімділігі сияқты басқа шектеулер немесе кофакторлардың болуы транскрипция факторының нақты қайда байланатынын анықтауға көмектеседі. Осылайша, геном тізбегін ескере отырып, транскрипция факторының тірі жасушада нақты қайда байланатынын болжау әлі де қиын. Дегенмен, бірнеше ДНҚ байланыстыру доменін (мысалы, бір транскрипция факторындағы тандемді DBD немесе екі транскрипция факторының димеризациясы арқылы) пайдалану арқылы қосымша тану ерекшелігіне қол жеткізуге болады, олар ДНҚ-ның екі немесе одан да көп жақын тізбектеріне байланады.

Клиникалық маңызы

Транскрипциялық факторлар кем дегенде екі себепке байланысты клиникалық маңызға ие: (1) мутациялар нақты аурулармен байланысты болуы мүмкін, және (2) олар дәрілік препараттардың әсер ететін нысанасы болуы мүмкін.

Мүмкіндікті есірткі нысаналары

Қазіргі тағайындалған дәрілердің шамамен 10% тікелей транскрипция факторларының ядролық рецепторлар класына бағытталған. Мысалдарға, сүт безі және простата қатерлі ісігін емдеу үшін қолданылатын тамоксифен және бикалутамид, сондай-ақ түрлі қабынуға қарсы және анаболикалық стероидтар жатады. Бұған қоса, транскрипция факторлары көбінесе сигналдық каскадтар арқылы дәрілермен жанама түрде реттеледі. Препараттармен NF κB сияқты, одан аз зерттелген басқа транскрипция факторларын тікелей бағыттау мүмкіншілігі бар. Ядролық рецепторлар отбасынан тыс транскрипция факторларын кішкентай молекулалық терапиялық құралдармен бағыттау қиын деп есептеледі, себебі олардың "дәріге бейімділігі" нақты емес, бірақ Pax2 және Notch жолы бойынша прогресс жасалды.

Эволюциядағы рөлі

Гендердің көбейіп кетуі түрлердің эволюциясында шешуші рөл атқарды. Бұл әсіресе транскрипция факторларына қатысты. Олар көбейген кезде, бір данасы үшін кодтайтын жинақталған мутациялар, төменгі ағындағы мақсаттардың реттелуіне кері әсер етпей пайда болуы мүмкін. Дегенмен, көптеген құрлықтағы өсімдіктерде кездесетін, жалғыз даналы жапырақты транскрипция факторының ДНҚ-ға байланысу ерекшеліктерінің өзгеруі жақында анықталды. Осы тұрғыда, жалғыз даналы транскрипция факторы функциясын жоғалтпай, белгісіз аралық арқылы ерекшелігін өзгерте алады. Ұқсас механизмдер барлық балама филогенетикалық гипотезалар мен барлық түрлердің эволюциясында транскрипция факторларының атқаратын рөлі контекстінде ұсынылған.

Биологиялық бақылаудағы рөлі

Транскрипция факторлары биобақылаудың сәтті болуы үшін маңызды кедергісіздік қызметінде рөл атқарады. Papiliotrema terrestris LS28-дің Yap1 және Rim101 транскрипция факторларының оксидативтік стреске төзімділік және сілтілік pH-ты сезу қабілетіне үлес қосуы, молекулалық құралдар арқылы биологиялық және интегралдық бақылауға негізделген ауруды басқару бағдарламаларын қолдайтын биобақылау қызметінің жатқандағы генетикалық механизмдерін түсінуге мүмкіндік берді.

Талдау

Транскрипция факторларын талдау үшін әртүрлі технологиялар қол жетімді. Геномдық деңгейде ДНҚ тізбектеу және дерекқорларды зерттеу кеңінен қолданылады. Транскрипция факторының ақуыздық түрі арнайы антиденелерді пайдалану арқылы анықталады. Үлгі батыс блотында (western blot) анықталады. Электрофоретикалық жылжуға байланысты ауысу әдісі (EMSA) арқылы транскрипция факторларының белсенділік профилін анықтауға болады. Белсенділік профильдеуге арналған мультиплекстік тәсіл – бірнеше түрлі транскрипция факторларын параллель түрде анықтауға мүмкіндік беретін TF чип жүйесі. Транскрипция факторларының байланысу орындарын анықтау үшін ең көп қолданылатын әдіс – хроматин иммунопреципитациясы (ChIP). Бұл техника хроматиннің формальдегидпен химиялық бекітілуіне, содан кейін ДНК-ның және зерттелетін транскрипция факторының антитело арқылы осы белокқа қатысты тұндырылуына негізделген. ДНК тізбектерін микромассив немесе жоғары өтімді тізбектеу (ChIP-seq) арқылы транскрипция факторларының байланысу орындарын анықтау үшін сәйкестендіруге болады. Егер зерттелетін ақуызға антитело қолжетімді болмаса, DamID ыңғайлы балама болуы мүмкін.

Сыныптар

Төменде егжей-тегжейлі сипатталғандай, транскрипция факторларын олардың (1) әрекет ету механизміне, (2) реттеушілік функциясына немесе (3) ДНК-ға байланысатын домендеріндегі реттілік гомологиясына (демек, құрылымдық ұқсастығына) қарай жіктеуге болады.