Кіріспе
Клеткаларда ДНК-ның РНК-ға түрленуін бақылау Транскрипция реттеу сөздігі • транскрипциялық реттеу – геннің транскрипция жылдамдығын бақылау, мысалы РНК полимеразаның ДНК-ға байланысуына көмектесу немесе кедергі жасау арқылы • транскрипция – РНК полимеразаның ДНК-ның үлгісінен РНК жасау процесі • транскрипция факторы – белгілі бір биохимиялық реакция немесе дене процесіне себепші болатын белок сияқты зат • промотор – белгілі бір геннің транскрипциясын бастайтын ДНК аймағы • Сигма факторы – РНК полимеразамен кешенді және реттілік ерекшелігін кодтайтын арнайы бактериялық кофакторлар • коактиватор – транскрипция факторларымен жұмыс істейтін белок, геннің транскрипция жылдамдығын арттыру үшін • корепрессор – транскрипция факторларымен жұмыс істейтін белок, геннің транскрипция жылдамдығын төмендету үшін [ ] Молекулярлық биология және генетикада транскрипцияны реттеу – жасушаның ДНК-ны РНК-ға түрлендіруін (транскрипцияны) реттеу құралы, осы арқылы гендердің белсенділігін үйлестіреді. Жеке ген РНК көшірмелерінің санын өзгертуден бастап, геннің транскрипциялану уақытын бақылауға дейін әртүрлі жолдармен реттелуі мүмкін. Бұл бақылау жасушаға немесе организмге жасушаішілік және жасушадан тыс сигналдарға жауап беруге және осылайша тиісті реакцияны іске қосуға мүмкіндік береді. Мысалдарға тамақ көзіндегі өзгерістерге бейімделу үшін ферменттерді кодтайтын мРНК өндіру, жасуша циклының ерекшеліктеріне қатысты ген өнімдерін өндіру және эволюциялық даму биологиясында зерттелген көпжасушалы эукариоттарда жасушалық дифференциацияға жауапты ген өнімдерін өндіру жатады. Транскрипцияны реттеу – барлық тірі организмдерде маңызды процесс. Оны транскрипция факторлары және басқа белоктар әртүрлі механизмдер арқылы РНК мөлшерін дәл реттеу үшін бірлесіп атқарады. Бактериялар мен эукариоттардың транскрипцияны басқарудың әртүрлі стратегиялары бар, бірақ кейбір маңызды ерекшеліктер екеуінің арасында сақталады. Ең маңыздысы – комбинаторлық бақылау идеясы, яғни кез келген ген транскрипцияны басқару үшін факторлардың нақты комбинациясымен бақыланады. Гипотетикалық мысалда, A және B факторлары A және C факторларының комбинациясынан өзге гендер жиынтығын реттеуі мүмкін. Бұл комбинаторлық сипат екі белоктан астам кешендерге дейін кеңейеді және геномның өте шағын бөлігі (10%-дан кем) бүкіл жасушаның транскрипциялық бағдарламасын басқаруға мүмкіндік береді.
Transcription regulation glossary • transcriptional regulation – controlling the rate of gene transcription for example by helping or hindering RNA polymerase binding to DNA • transcription – the process of making RNA from a DNA template by RNA polymerase • transcription factor – a substance, such as a protein, that contributes to the cause of a specific biochemical reaction or bodily process • promoter – a region of DNA that initiates transcription of a particular gene • Sigma factor – specialized bacterial co factors that complex with RNA Polymerase and encode sequence specificity • coactivator – a protein that works with transcription factors to increase the rate of gene transcription • corepressor – a protein that works with transcription factors to decrease the rate of gene transcription [ edit ]
In molecular biology and genetics, transcriptional regulation is the means by which a cell regulates the conversion of DNA to RNA (transcription), thereby orchestrating gene activity. A single gene can be regulated in a range of ways, from altering the number of copies of RNA that are transcribed, to the temporal control of when the gene is transcribed. This control allows the cell or organism to respond to a variety of intra and extracellular signals and thus mount a response. Some examples of this include producing the mRNA that encode enzymes to adapt to a change in a food source, producing the gene products involved in cell cycle specific activities, and producing the gene products responsible for cellular differentiation in multicellular eukaryotes, as studied in evolutionary developmental biology. The regulation of transcription is a vital process in all living organisms. It is orchestrated by transcription factors and other proteins working in concert to finely tune the amount of RNA being produced through a variety of mechanisms. Bacteria and eukaryotes have very different strategies of accomplishing control over transcription, but some important features remain conserved between the two. Most importantly is the idea of combinatorial control, which is that any given gene is likely controlled by a specific combination of factors to control transcription. In a hypothetical example, the factors A and B might regulate a distinct set of genes from the combination of factors A and C. This combinatorial nature extends to complexes of far more than two proteins, and allows a very small subset (less than 10%) of the genome to control the transcriptional program of the entire cell.
Бактерияларда
[[Файл:Мальтозасыз оператор. Мальтоза опероны транскрипцияның оң бақылауының үлгісі болып табылады. E. coli бактериясында мальтоза болмаған кезде мальтоза гендерінің транскрипциясы жүрмейді және мальтоза активаторы ақуызына байланысуға мальтоза болмайды. Бұл активатор ақуызының гендегі активатордың байланысу орнына байланысуына кедері келтіреді, ал бұл өз кезегінде РНК полимеразаның мальтоза промоторына байланысуына да кедері келтіреді. Транскрипция жүргізілмейді. Дегенмен, транскрипциялық реттеудің көлемі мен күрделілігі эукариоттарда жоғары. Бактериялық транскрипцияны үш негізгі тізбекті элемент басқарады: Промоторлар – РНК полимераза мен басқа да белоктармен тікелей геннің жоғары жағында транскрипцияны сәтті бастау үшін байланысатын ДНК элементтері. Операторлар ДНК-ның бір бөлігіне байланысатын және геннің транскрипциясын тежейтін репрессорлық ақуыздарды таниды. ДНҚ-ға байланысатын және транскрипция деңгейін жоғарылататын оң бақылау элементтері. Транскрипциялық реттеудің осы механизмдері эукариоттарда да бар, бірақ транскрипциялық ландшафт қатысатын ақуыздардың санымен, интрондардың болуымен және ДНК-ның гистондарға оралуымен айтарлықтай күрделі. Бактериялық геннің транскрипциясы оның промоторының күшіне және активаторлар мен репрессорлардың болуына байланысты. Басқа реттеуші элементтер болмаған жағдайда, РНК полимеразаларға промотордың тізбектік байланысы өзгереді, нәтижесінде әртүрлі транскрипттер өндіріледі. РНК полимеразаның әртүрлі промотор тізбектеріне қатысты өзгермелі байланысы транскрипция басталатын орыннан жоғары консенсус тізбегінің аймақтарына байланысты. Промотордың консенсус тізбегімен сәйкес келетін нуклеотидтердің саны қаншалықты көп болса, РНК полимеразаға оның байланысы соншалықты күшті болады. thumb|363x363px| Мальтоза E. coli бактериясында болғанда, ол мальтоза активаторы ақуызына (#1) байланысады, бұл мальтоза активаторы ақуызының активатордың байланысу орнына (#2) байланысуын ынталандырады. Бұл РНК полимеразаның MAL промоторына (#3) байланысуына мүмкіндік береді. malE, malF және malG гендерінің транскрипциясы (#4) мальтоза активаторы ақуызы мен РНК полимераза ДНҚ бойымен қозғалғанда жалғасады. malF мальтоза тасымалдау жүйесінің пропиленттік ақуызын кодтайды және мальтозаның жасуша мембранасы арқылы транслокациясына көмектеседі. malG тасымалдау жүйесінің ақуызын кодтайды және сонымен қатар мальтозаның жасуша мембранасы арқылы транслокациясына көмектеседі. Басқа реттеуші элементтер болмаған жағдайда, бактериялық транскрипттің әдепкі күйі «қосылған» конфигурациясында болады, нәтижесінде транскрипттің белгілі бір мөлшері өндіріледі. Бұл транскрипциялық реттеудің, протеин репрессорлары және оң бақылау элементтері түрінде, транскрипцияны арттыра немесе азайта алатынын білдіреді. Репрессорлар көбінесе РНК полимеразаның байланысуын бұза отырып, промотор орнын физикалық түрде алып жатады. Балама ретінде, репрессор мен полимераза бір уақытта ДНК-ға байланысуы мүмкін, репрессордың физикалық өзара әрекеттесуі транскрипция үшін минус тізбегіне қол жеткізу үшін ДНК-ның ашылуына кедері келтіреді. Бұл бақылау стратегиясы эукариоттық транскрипциядан ерекшеленеді, оның базалық күйі «өшірілген» және транскрипцияны бастау үшін қажетті ко-факторлар генге тәуелді болады. Сигма факторлары – РНК полимеразалармен байланысатын және транскрипцияны бастауды басқаратын арнайы бактериялық ақуыздар. Сигма факторлары тізбекті транскрипцияның медиаторлары ретінде әрекет етеді, сондықтан бір сигма факторы барлық үй шаруашылығы гендерінің транскрипциясы үшін немесе жасуша кейбір сыртқы тітіркендіргіштерге, мысалы, стресске жауап ретінде білдіргісі келетін гендер жиынтығына пайдаланылуы мүмкін. Транскрипцияны басталу сатысында реттейтін процестерге қоса, мРНК синтезі транскрипцияның ұзарту жылдамдығына да тәуелді. РНК полимеразаның тоқтаулары жиі кездеседі және NusG және NusA, транскрипция аудармалық жұптасу және мРНК екінші құрылымы сияқты транскрипция факторларымен реттеледі.
Promoters are elements of DNA that may bind RNA polymerase and other proteins for the successful initiation of transcription directly upstream of the gene. Operators recognize repressor proteins that bind to a stretch of DNA and inhibit the transcription of the gene. Positive control elements that bind to DNA and incite higher levels of transcription. While these means of transcriptional regulation also exist in eukaryotes, the transcriptional landscape is significantly more complicated both by the number of proteins involved as well as by the presence of introns and the packaging of DNA into histones. The transcription of a basic bacterial gene is dependent on the strength of its promoter and the presence of activators or repressors. In the absence of other regulatory elements, a promoter's sequence based affinity for RNA polymerases varies, which results in the production of different amounts of transcript. The variable affinity of RNA polymerase for different promoter sequences is related to regions of consensus sequence upstream of the transcription start site. The more nucleotides of a promoter that agree with the consensus sequence, the stronger the affinity of the promoter for RNA Polymerase likely is. thumb|363x363px| When maltose is present in E. coli, it binds to the maltose activator protein (#1), which promotes maltose activator protein binding to the activator binding site (#2). This allows the RNA polymerase to bind to the mal promoter (#3). Transcription of malE, malF, and malG genes then proceeds (#4) as maltose activator protein and RNA polymerase moves down the DNA. malF encodes for maltose transport system permease protein and helps translocate maltose across the cell membrane. malG encodes for transport system protein and also helps translocate maltose across the cell membrane. In the absence of other regulatory elements, the default state of a bacterial transcript is to be in the “on” configuration, resulting in the production of some amount of transcript. This means that transcriptional regulation in the form of protein repressors and positive control elements can either increase or decrease transcription. Repressors often physically occupy the promoter location, occluding RNA polymerase from binding. Alternatively a repressor and polymerase may bind to the DNA at the same time with a physical interaction between the repressor preventing the opening of the DNA for access to the minus strand for transcription. This strategy of control is distinct from eukaryotic transcription, whose basal state is to be off and where co factors required for transcription initiation are highly gene dependent. Sigma factors are specialized bacterial proteins that bind to RNA polymerases and orchestrate transcription initiation. Sigma factors act as mediators of sequence specific transcription, such that a single sigma factor can be used for transcription of all housekeeping genes or a suite of genes the cell wishes to express in response to some external stimuli such as stress. In addition to processes that regulate transcription at the stage of initiation, mRNA synthesis is also controlled by the rate of transcription elongation. RNA polymerase pauses occur frequently and are regulated by transcription factors, such as NusG and NusA, transcription translation coupling, and mRNA secondary structure.
Эукариоттарда
G-жолақты адам геномының шолуын көрсететін адамның схемалық кариограммасы, бұл Гиемса бояуын қолданатын әдіс, онда ашық түсті аймақтар көбінесе транскрипциялық тұрғыдан белсенді, ал қараңғы аймақтар белсенді емес. Эукариоттық жасушаны құрудың күрделілігі транскрипциялық реттеудің күрделілігін арттырады. Эукариоттарда үш РНК полимераза бар, олар Pol I, Pol II және Pol III деп аталады. Әрбір полимеразаның нақты мақсаттары мен әрекеттері бар және олар тәуелсіз механизмдермен реттеледі. Полимеразаның белсенділігін бақылайтын қосымша механизмдер де бар. Бұл механизмдерді үш негізгі салада топтастыруға болады: генге полимеразаның кіруін бақылау. Бұл үш бақылау механизмінің ең кеңірек түрі, ол гистонды қайта құру ферменттерінің, транскрипция факторларының, күшейткіштердің және репрессорлардың, сондай-ақ көптеген басқа кешендердің функцияларын қамтиды. РНК транскриптісінің өнімді ұзартылуы. Полимераза промоторға байланысқаннан кейін, промотор кешенінен шығып, РНК-ны сәтті транскрипциялай бастау үшін басқа факторлар жиынтығы қажет. Полимеразаның тоқтауы. РНК транскриптісінің тағдырын анықтайтын, тоқтаудың қалай және қашан болатынын бақылайтын бірнеше факторлар анықталды. Бұл үш жүйе де жасушадан келетін сигналдарды біріктіріп, транскрипциялық бағдарламаны сәйкес түрде өзгерту үшін бірлесіп жұмыс істейді. Прокариоттық жүйелерде базалық транскрипциялық күй шектеусіз деп есептелуі мүмкін (яғни, өзгертетін факторлардың болмауында «қосулы»), ал эукариоттарда РНК транскрипттерін жасау үшін басқа факторларды қабылдауды талап ететін шектеулі базалық күй бар. Бұл айырмашылық негізінен эукариоттық геномның гистондардың айналасына ДНК-ны орап, жоғары ретті құрылымдар құру арқылы ықшамдалуына байланысты. Бұл ықшамдалу ген промоторын ядродағы басқа факторлардың көмегінсіз қолжетімді етпейді, сондықтан хроматин құрылымы реттеудің жиі кездесетін орны болып табылады. Прокариоттардағы сигма факторларына ұқсас, жалпы транскрипция факторлары (GTF) – эукариоттардағы барлық транскрипция оқиғалары үшін қажетті факторлар жиынтығы. Бұл факторлар байланыс әрекеттесуін тұрақтандыруға және РНК полимеразаның шаблонға кіруіне мүмкіндік беру үшін ДНК спиралін ашуға жауапты, бірақ әдетте әртүрлі промоторлық сайттарға ерекшелік танытпайды. Гендік реттеудің үлкен бөлігі жалпы транскрипциялық механизмді және/немесе полимеразаның байланысын шақыратын немесе тежейтін транскрипция факторлары арқылы жүзеге асырылады. Бұл негізгі промотор элементтерімен немесе алыс қашықтықтағы күшейткіш элементтерімен тығыз өзара әрекеттесу арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Полимераза ДНК шаблонына сәтті байланысқаннан кейін, тұрақты промотор кешенінен шығып, жаңа пайда болған РНК тізбегін ұзартуды бастау үшін басқа ақуыздардың көмегі қажет. Бұл процесс промотордан шығу деп аталады және ол реттеуші элементтер транскрипция процесін жылдамдатуға немесе баяулатуға әрекет ететін тағы бір қадам. Сонымен қатар, ақуыз және нуклеин қышқылы факторлары ұзарту кешенімен байланысып, полимеразаның ДНК шаблоны бойымен қозғалу жылдамдығын өзгерте алады.
Control over polymerase access to the gene. This is perhaps the broadest of the three control mechanisms. This includes the functions of histone remodeling enzymes, transcription factors, enhancers and repressors, and many other complexes
Productive elongation of the RNA transcript. Once polymerase is bound to a promoter, it requires another set of factors to allow it to escape the promoter complex and begin successfully transcribing RNA. Termination of the polymerase. A number of factors which have been found to control how and when termination occurs, which will dictate the fate of the RNA transcript. All three of these systems work in concert to integrate signals from the cell and change the transcriptional program accordingly. While in prokaryotic systems the basal transcription state can be thought of as nonrestrictive (that is, “on” in the absence of modifying factors), eukaryotes have a restrictive basal state which requires the recruitment of other factors in order to generate RNA transcripts. This difference is largely due to the compaction of the eukaryotic genome by winding DNA around histones to form higher order structures. This compaction makes the gene promoter inaccessible without the assistance of other factors in the nucleus, and thus chromatin structure is a common site of regulation. Similar to the sigma factors in prokaryotes, the general transcription factors (GTFs) are a set of factors in eukaryotes that are required for all transcription events. These factors are responsible for stabilizing binding interactions and opening the DNA helix to allow the RNA polymerase to access the template, but generally lack specificity for different promoter sites. A large part of gene regulation occurs through transcription factors that either recruit or inhibit the binding of the general transcription machinery and/or the polymerase. This can be accomplished through close interactions with core promoter elements, or through the long distance enhancer elements. Once a polymerase is successfully bound to a DNA template, it often requires the assistance of other proteins in order to leave the stable promoter complex and begin elongating the nascent RNA strand. This process is called promoter escape, and is another step at which regulatory elements can act to accelerate or slow the transcription process. Similarly, protein and nucleic acid factors can associate with the elongation complex and modulate the rate at which the polymerase moves along the DNA template.
Хроматин деңгейінде
Эукариоттарда геномдық ДНҚ ядроға сыя алу үшін жоғары деңгейде тығыздалады. Бұл ДНҚ-ны гистондар деп аталатын ақуыздық октамерлердің айналасына орау арқылы іске асырылады, бұл геномның бөліктеріне кез келген уақытта физикалық қолжетімділікке әсер етеді. Маңызды бөліктері гистондық модификациялар арқылы белсенділігінен айырылады, сондықтан полимеразалар немесе олардың кофакторлары оларға қолжетімді емес. Транскрипцияны реттеудің ең жоғары деңгейі гендерді ашу немесе жасыру үшін гистондардың қайта орналасуы арқылы жүреді, өйткені бұл процестер хромосоманың толық аймақтарын қолжетімсіз ете алады, мысалы, импринтингте болатындай. Гистонның қайта орналасуы негізгі гистондардың құйрықшаларындағы посттрансляциялық модификациялар арқылы жеңілдетіледі. Гистон ацетилтрансферазалары (HAT), гистон метилтрансферазалары (HMT) және гистон деацетилазалары (HDAC) сияқты ферменттердің көмегімен көптеген модификациялар жасалуы мүмкін. Бұл ферменттер метил топтары, ацетил топтары, фосфаттар және убиквитин сияқты ковалентті модификацияларды қоса алады немесе алып тастай алады. Гистондық модификациялар хроматин тығыздалуын арттырып, промотор элементтерін жасыратын немесе гистондар арасындағы кеңістікті ұлғайтып, транскрипция факторларының немесе полимеразаның ашық ДНҚ-ға байланысуына мүмкіндік беретін басқа ақуыздарды тартуға қызмет етеді. Мысалы, поликомб комплексі PRC2-нің H3K27 триметилденуі хромосомалық тығыздалуға және генді үндірмеуге әкеледі. Бұл гистондық модификациялар жасуша тарапынан жасалуы мүмкін немесе ата-анадан эпигенетикалық жолмен мұраға өтуі мүмкін.
Цитозин метилирлеу деңгейінде
thumb|300px|ДНК метилирлеу – цитозин кезінде ДНК-ға метил тобының қосылуы. Суретте цитозиннің бір сақиналы базасы және 5-көміртегіне қосылған метил тобы көрсетілген. Сүтқоректілерде ДНК метилирлеу негізінен цитозиннен кейін гуанинге қатысты жүзеге асады. Шамамен 60% транскрипциялық реттеу CpG динуклеотидтеріндегі цитозиндердің метилирленуі арқылы бақыланады (мұнда 5’ цитозиннен кейін 3’ гуанин немесе CpG сайттары орналасқан). 5-метилцитозин (5 мС) – ДНК-ның цитозин негізінің метилденген түрі (суретті қараңыз). 5 мС – CpG сайттарында басым кездесетін эпигенетикалық маркер. Адам геномында шамамен 28 миллион CpG динуклеотиді бар. Сүтқоректілердің көптеген тіндерінде, орташа есеппен, 70%-80% CpG цитозиндері метилденген (5-метилCpG немесе 5 mCpG құрайды). 5’ цитозин-гуанин-3’ тізбектеріндегі метилденген цитозиндер көбінесе CpG аралдары деп аталатын топтарда кездеседі. Промоторлық тізбектердің шамамен 60%-ында CpG аралы бар, ал күшейткіш тізбектердің тек шамамен 6%-ында ғана CpG аралы бар. CpG аралдары реттеуші тізбектерді құрайды, себебі геннің промоторындағы CpG аралдары метилденгенде геннің транскрипциясын төмендетуі немесе тоқтатуы мүмкін. ДНК метилирлеу метил байланыстыру домені (MBD) бар ақуыздармен, мысалы, MeCP2, MBD1 және MBD2 арқылы геннің транскрипциясын реттейді. Бұл MBD ақуыздары жоғары метилденген CpG аралдарына ең мықты байланысады. Бұл MBD ақуыздарында метил CpG байланыстыру домені де, транскрипцияны басу домені де бар. Сигналға жауап беретін гендермен байланысты транскрипция факторларын байланыстыру орындарының (TFBS) шамамен 94%-ы күшейткіштерде, ал осындай TFBS-тың 6%-ы ғана промоторларда кездеседі. Сүтқоректілер геномында EGR1 үшін шамамен 12 000 байланысу орны бар, ал EGR1 байланысу орындарының жартысы промоторларда, ал жартысы күшейткіштерде орналасқан. EGR1 транскрипция факторларының экспрессиясы әртүрлі жасуша түрлерінде өсу факторлары, нейротрансмиттерлер, гормондар, стресс және жарақаттармен ынталандырылуы мүмкін. DNMT3A2 дәнекерлеу изоформасы классикалық бірден ерте геннің өнімі сияқты әрекет етеді және, мысалы, нейрондық белсендіруден кейін берік және уақытша өнімділік көрсетеді. ДНК метилтрансферазасы DNMT3A2 изоформасының цитозиндерге метил топтарын қосуы гистонның посттрансляциялық модификацияларымен анықталады. Екінші жағынан, нейроактивация кем дегенде бір бағаланған промотордың метилирленуінің төмендеуіне алып келетін DNMT3A1 деградациясын тудырады.
Транскрипция факторлары
Транскрипция факторлары – белгілі бір геннің экспрессиясын реттеу үшін ДНК-ның нақты тізбектеріне байланысатын ақуыздар. Адам геномында шамамен 1400 транскрипция факторы бар, және олар барлық адам ақуызын кодтайтын гендердің шамамен 6% құрайды. Олар көбінесе сигналдық трандукция жолының соңында орналасады, бұл фактордың өзін өзгертуге мүмкіндік береді, мысалы, оның жасуша ішіндегі орналасуына немесе активтілігіне. Цитозольде орналасқан транскрипция факторларына жасалған трансляциядан кейінгі модификациялар, оларды тиісті күшейткіштермен өзара әрекеттесу үшін ядроға жылжуына себеп болуы мүмкін. Басқа транскрипция факторлары ядрода болады және серіктес транскрипция факторларымен өзара әрекеттесуге қолайлы болу үшін модификацияланады. Транскрипция факторларының функционалдық күйін реттейтін белгілі бір трансляциядан кейінгі модификациялар: фосфорилдену, ацетилдену, SUMOylation және убиквитилену. Транскрипция факторларын екі негізгі санатқа бөлуге болады: активаторлар және репрессорлар. Активаторлар транскрипцияның негізгі механизмімен тікелей немесе жанама түрде күшейткіштерге байланысу арқылы әрекет етеді, ал репрессорлар негізінен корепрессорлық кешендерді тартады, нәтижесінде күшейткіш аймақтардың хроматин конденсациясы арқылы транскрипциялық репрессия пайда болады. Репрессор белгілі бір активатормен аллостериялық бәсекелестік арқылы ген экспрессиясын басуы мүмкін: активаторлар мен репрессорлар үшін ДНК байланысу мотивтерінің қабаттасуы байланыс орны үшін физикалық бәсекелестікке әкеледі. Егер репрессор активаторға қарағанда мотивке жоғары сәйкес келсе, репрессордың қатысуымен транскрипция тиімді түрде тоқтатылады. Транскрипция факторларының жоғары динамикалық табиғаты арқасында қатаң реттеуші бақылау жүзеге асырылады. Сонымен қатар, транскрипция факторының активтілігін бақылау үшін көптеген механизмдер бар. Бұл механизмдерге ақуыздың орналасуын бақылау немесе ақуыздың ДНК-ға байланысуын бақылау кіреді. Мысалы, цитозольде Hsp70-ке байланысқан HSF1 ақуызы, жасушалық стресс кезінде, мысалы, жылулық соққы кезінде ғана ядроға жылжуы мүмкін. Осылайша, жасуша стресске ұшырамаса, осы транскрипция факторының бақылауындағы гендер транскрипцияланбайды.
Көтергіштер
Көтергіштер немесе цис-реттеуші модульдер/элементтер (CRM/CRE) – бірнеше активатор және репрессор байланысу орындарын қамтитын кодтамайтын ДНК тізбектері. Көтергіштердің ұзындығы 200 бп-тан 1 кб-ға дейін жетеді және олар промоторға 5’ жағынан немесе реттелетін геннің бірінші интронында орналасқан жақын (проксимальды) немесе көрші гендердің интрондарында немесе локустан алыс жатқан интергендік аймақтарда орналасқан алыс (дистальды) болуы мүмкін. ДНК иілу арқылы белсенді көтергіштер негізгі ДНК байланысу мотивіне тәуелсіз промотормен байланысады. Промотор-көтергіш екіұштылығы, РНК Pol II-нің промотордан шығуын қозғау үшін транскрипция факторлары мен транскрипциялық негізгі механизмдер арасындағы функционалдық өзара әрекеттесудің негізін құрайды. Бір көтергіш промоторға 1:1 арақатынаста сәйкес келеді деп ойлағанмен, адам геномын зерттеулер белсенді промотордың 4-5 көтергішпен өзара әрекеттесетінін көрсетіп тұр. Сол сияқты, көтергіштер байланысу шектеусіз бірнеше генді реттеуге қабілетті және алыс жатқан гендерді реттеу үшін көрші гендерді "өткіріп" кетеді. Транскрипциялық реттеу сирек болғанымен, промотор орналасқан хромосомадан өзге хромосомадағы элементтерді де қамтуы мүмкін. Жақын орналасқан көтергіштер немесе көрші гендердің промоторлары, алыс элементтерді тарту үшін платформа ретінде қолданылуы мүмкін.
Enhancer-ді іске қосу және іске асыру
thumb|left|500px| Сүтқоректілерде транскрипцияны реттеудегі күшейткіш функциясы. ДНҚ-ның белсенді күшейткіш реттеуші тізбегі, хромосомалық цикл құрылу арқылы өзінің мақсатты генінің промоторлық ДНҚ реттеуші тізбегімен өзара әрекеттесуге қабілетті. Бұл РНК полимераза II (РНКП II) арқылы геннің транскрипция басталу орнындағы промоторға байланған мессенджер РНК (мРНК) синтезін бастауы мүмкін. Цикл бір архитектуралық белокпен (күшейткішке бекітілген) және біреуі промоторға бекітілген тұрақтандырылады, ал бұл белоктар димер (қызыл зигзагтар) құру үшін бірігеді. Нақты реттегіш транскрипция факторлары күшейткіштегі ДНК тізбек мотивтеріне байланады. Жалпы транскрипция факторлары промоторға байланады. Транскрипция факторы сигналмен белсендірілгенде (мұнда фосфорилдану көрсетілген, күшейткіштегі транскрипция факторындағы кішкентай қызыл жұлдызбен белгіленген), күшейткіш белсендіріледі және енді өзінің мақсатты промоторын белсендіре алады. Белсенді күшейткіш, ДНК-ның әр тармағында қарама-қарсы бағытта RNAP II арқылы транскрипцияланады. Медиатор (өзара әрекеттесетін құрылымдағы шамамен 26 ақуыздан тұратын кешен) күшейткішке байланған транскрипция факторларынан реттегіш сигналдарды промоторға жеткізеді. Сүтқоректілерде гендердің жоғары реттелген экспрессиясы, сигналдар гендермен байланысты промоторларға берілгенде басталуы мүмкін. Гендердің промоторларынан қашықта орналасқан ДНК аймақтарындағы цис-реттегіш ДНК тізбектері ген экспрессиясына өте үлкен әсер етуі мүмкін, кейбір гендер мұндай цис-реттегіш тізбекке байланысты 100 есеге дейін экспрессияның артуын бастан кешеді. Бұл цис-реттегіш тізбектерге күшейткіштер, үнсіздендіргіштер, оқшаулағыштар және байланыстыру элементтері кіреді. Осы тізбектердің арасында күшейткіштер және олармен байланысты транскрипция факторларының белоктары ген экспрессиясын реттеуде жетекші рөл атқарады. Күшейткіштер – геномның гендік экспрессияны бақылайтын маңызды элементтері. Күшейткіштер жасуша түріне тән гендік экспрессия бағдарламаларын реттейді, көбінесе олардың мақсатты гендерінің промоторларымен физикалық жақындыққа келу үшін ұзақ қашықтықтарды жүзеге асырады. Ми қабығының нейрондарын зерттеуде 24 937 цикл табылды, олар күшейткіштерді промоторларға жақындастырды. Көптеген жасушалық функцияларға тән транскрипция факторларының ақуыздары (2018 жылы Lambert et al. көрсеткендей, адам жасушасында шамамен 1600 транскрипция факторы бар) әдетте күшейткіштегі нақты мотивтерге байланады, ал осы күшейткішке байланған транскрипция факторларының шағын комбинациясы, ДНК цикл арқылы промоторға жақын келтірілгенде, мақсатты геннің транскрипция деңгейін анықтайды. Медиатор (коактиватор) (әдетте өзара әрекеттесетін құрылымдағы 26 ақуыздан тұратын кешен) ДНК-ға байланған транскрипция факторларынан реттегіш сигналдарды тікелей РНК полимераза II (РНКП II) ферментіне, промоторға байланған күйінде жеткізеді. Күшейткіштер белсенді болғанда, әдетте, екі түрлі бағытта әрекет ететін РНК полимеразалармен ДНК-ның екі тармағынан транскрипцияланады, нәтижесінде суретте көрсетілгендей екі eRNA пайда болады. Белсенді емес күшейткіш, белсенді емес транскрипция факторымен байланысуы мүмкін. Транскрипция факторының фосфорилдануы оны белсендіре алады, ал белсендірілген транскрипция факторы оған бекітілген күшейткішті белсендіре алады (суретте күшейткішке бекітілген транскрипция факторының фосфорилдануын көрсететін кішкентай қызыл жұлдызды қараңыз). Белсенділендірілген күшейткіш өзінің РНК-ның транскрипциясын бастайды, содан кейін промоторды белсендіре отырып, оның мақсатты генінен мессенджер РНК-ның транскрипциясын бастайды.
Регламенттік ландшафт
Транскрипцияның басталуы, аяқталуы және реттелуі ДНК иілгісі арқылы жүзеге асырылады, ол ген экспрессиясын дәл реттеу үшін промоторларды, күшейткіштерді, транскрипциялық факторларды және РНК өңдеу факторларын біріктіреді. Хромосомалық конформацияны түсіру (3C) және соңғы Hi C техникалары активті хроматин аймақтарының ядролық домендерде немесе транскрипциялық реттелуді күшейтетін денелерде «жинақыланғанын» көрсетті. Геномның конфигурациясы күшейткіш-промотор жақындығы үшін маңызды. Жасуша тағдыры туралы шешімдер интерфазадағы жоғары динамикалық геномдық қайта ұйымдастыру арқылы, қысқа және ұзақ қашықтықтағы хроматин өзгерістері арқылы бүкіл гендік реттеуші желілерді модулді түрде қосу немесе өшіру арқылы жүзеге асырылады. Байланысты зерттеулер метазоан геномдарының мегабазаға жуық структурлық және функционалдық бірліктерге бөлінгенін, олар Топологиялық қабаттасу домендері (TAD) деп аталады, онда тек кодталмаған тізбектерден тұратын үлкен геномдық аймақтарда орналасқан жүздеген күшейткіштермен реттелетін ондаған гендер бар екенін көрсетті. TAD-тың функциясы – күшейткіштер мен промоторларды бір үлкен функционалдық доменде қайта топтостыру, оларды әртүрлі TAD-тарға таратудың орнына. Дегенмен, егешкіннің дамуына қатысты зерттеулер екі іргелес TAD-тың бірдей гендер кластерін реттеуі мүмкін екенін көрсетті. Аяқ-қол эволюциясы туралы маңызды зерттеулер көрсеткендей, тетрапод геномдарындағы HoxD гендер кластерінің 5’ жағындағы TAD оның экспрессиясын дисталь аяқ-қол бүршігінде басқарады, нәтижесінде қол пайда болады, ал 3’ жағында орналасқан TAD проксималь аяқ-қол бүршігінде экспрессияны басқарады, нәтижесінде қол пайда болады. Дегенмен, TAD-тар реттеуші өзара әрекеттесуді күшейтуге бейімделу стратегиясы ма, әлде осы өзара әрекеттесулерге шектеулердің салдары ма, әлі белгісіз. TAD шекаралары көбінесе үй шаруашылығы гендері, тРНК, басқа да жоғары экспрессияланатын тізбектер және қысқа аралас элементтерден (SINE) тұрады. Бұл гендер өздерінің шекаралық орналасуын пайдаланып, кеңінен экспрессиялануы мүмкін, бірақ олар TAD шекарасының қалыптасуымен тікелей байланысты емес. TAD шекараларында анықталған нақты молекулалар изоляторлар немесе архитектуралық ақуыздар деп аталады, өйткені олар күшейткіштің қате экспрессиясын ғана бұғаттап қоймай, сонымен қатар мақсатты промоторға цис-реттеулік сигналдардың дәл бөлінуін қамтамасыз етеді. Бұл изоляторлар – CTCF және TFIIIC сияқты ДНК-мен байланысатын ақуыздар, олар когезиндер мен кондензиндер сияқты құрылымдық серіктестерді жұмысқа алуға көмектеседі. Архитектуралық ақуыздардың орналасуы және олардың тиісті байланысу орындарына байланысуы посттрансляциялық модификациялармен реттеледі. Архитектуралық ақуыздар танитын ДНК-мен байланысу мотивтері жоғары деңгейде орналасқан және бір-бірінен мегабазаға жуық немесе TAD ішінде орналасқан. Жоғары деңгейде орналасқан сайттар әдетте сақталады және статикалық, ал TAD ішіндегі сайттар жасушаның күйіне сәйкес динамикалық, сондықтан TAD-тар өзі бірнеше кб-ден TAD-қа дейінгі субдомендер деп аталатын субдомендерге бөлінеді (19). Архитектуралық байланысу орындары бір-бірінен 100 кб-дан аз қашықтықта болған кезде, медиатор ақуыздары архитектуралық ақуыздармен когезинмен бірге жұмыс істейді. 100 кб-дан үлкен субTAD-тар және TAD шекаралары үшін CTCF когезиямен өзара әрекеттесетін типтік изолятор болып табылады.
Алдын ала бастау кешені мен промотордың қашуы
Эукариоттарда рибосомалық рРНК және трансляцияға қатысатын тРНК РНК полимераза I (Pol I) және РНК полимераза III (Pol III) арқылы реттеледі. РНК полимераза II (Pol II) жасуша ішіндегі хабаршы РНК (мРНК) өндірісіне жауапты. Әсіресе Pol II үшін, транскрипция процесіндегі көптеген реттеуші тексерулер преинициациялық кешеннің құрастырылуы мен одан шығуы кезінде жүзеге асады. Генге тән транскрипция факторларының комбинациясы TFIID және/немесе TFIIA-ны негізгі промоторға тартады, одан кейін TFIIB қосылады, нәтижесінде қалған жалпы транскрипция факторларының (ЖТФ) құрастырылуына мүмкіндік беретін тұрақты кешен пайда болады. Бұл кешен салыстырмалы түрде тұрақты және транскрипцияны бастаудың бірнеше раундыларын жүзеге асыруға қабілетті. TFIIB және TFIID байланысқаннан кейін, Pol II және қалған ЖТФ құрастырыла алады. Бұл құрастырылу бірнеше киназалар арқылы Pol II-нің C терминалды доменінің (CTD) посттрансляциялық модификациясы (әдетте фосфорилирлеу) арқылы белгіленеді. CTD – Pol II-нің RbpI суббірлігінен басталатын ірі, құрылымдалмаған домен, және YSPTSPS гептадалық тізбектің көптеген қайталануларынан тұрады. Транскрипция бойында Pol II-мен байланыста болатын TFIIH геликазасы да гептадалық тізбектегі 5-сериндерді фосфорилдейтін киназалық белсенділігі бар суббірлікке ие. Сол сияқты, CDK8 (массивті мультибелок медиатор кешенінің суббірлігі) және CDK9 (p TEFb ұзарту факторының суббірлігі) CTD-дегі басқа да қалдықтарға қатысты киназалық белсенділікке ие. Бұл фосфорилирлеу оқиғалары транскрипция процесін ынталандырады және мРНК өңдеу машиналарын тарту орындары ретінде қызмет етеді. Бұл үш киназаның барлығы жоғарырақ деңгейдегі сигналдарға жауап береді, ал CTD-ны фосфорилирлеудің сәтсіздігі промоторда полимеразаның тоқтауына әкелуі мүмкін.
Қатерлі ісік
Омыртқалы жануарларда гендердің көпшілігінің промоторлары көптеген CpG сайттарын қамтитын CpG аралдарынан тұрады. Геннің көптеген промоторлық CpG сайттары метилирленген кезде ген белсенділігін тоқтатып, үндемей қалады. Ішек-толқын ісігі көбінесе 3-6 басқарушы мутация және 33-66 серік немесе жолаушы мутацияға ие болады. Дегенмен, қатерлі ісікке қарай дамуға мутациядан гөрі транскрипциялық үндеу көбірек әсер етеді. Мысалы, ішек-толқын ісігінде 600-800 генге жуық CpG аралдарының метилирленуі арқылы транскрипциялық түрде үндетеді (қатерлі ісіктерде транскрипцияны реттеу туралы қараңыз). Қатерлі ісікте транскрипциялық репрессия басқа эпигенетикалық механизмдер арқылы да жүзеге асуы мүмкін, мысалы микроРНК экспрессиясының өзгеруі. Сүт безі ісігінде BRCA1 генінің транскрипциялық репрессиясы BRCA1 промоторының гиперметилденуіне қарағанда, жоғары экспрессияланған 182 микроРНК арқылы жиірек кездеседі (сүт және жұмыртқа безі ісігінде BRCA1 экспрессиясының төмендеуі туралы қараңыз).