ТАТА-бокс: структура, функции и роль в регуляции транскрипции.

Введение

Последовательность ДНК

В молекулярной биологии TATA-бокс (также называемый коробкой Голдберга–Хогнесса) — это последовательность ДНК, обнаруженная в основной промоторной области генов у архей и эукариот. Бактериальным гомологом TATA-бокса является коробка Прибноу, которая имеет более короткую консенсусную последовательность. TATA-бокс считается некодирующей последовательностью ДНК (также известной как цис-регуляторный элемент). Он получил название "TATA-бокс" из-за того, что содержит консенсусную последовательность, характеризующуюся повторяющимися парами оснований T и A. При сравнении консенсусных и альтернативных нуклеотидов гомологичные области были выделены исследователями.

Открытие

Коробка TATA была первым эукариотическим мотивом основного промотора, идентифицированным в 1978 году американским биохимиком Дэвидом Хогнессом. Они впервые обнаружили последовательность TATA при анализе 5'-последовательностей промоторов ДНК генов дрозофилы, млекопитающих и вирусов. У дрозофилы менее 40% из 205 основных промоторов содержат коробку TATA.

Местоположение

Последовательность промоторов варьируется у бактерий и эукариот. У эукариот коробка TATA расположена на 25 пар оснований выше стартовой точки, которую Rpb4/Rbp7 используют для инициирования транскрипции. У метазоанов коробка TATA находится на 30 пар оснований выше точки начала транскрипции. Когда промоторы используют SAGA/TATA-бокс-комплекс для рекрутирования РНК-полимеразы II, они более строго регулируются и демонстрируют более высокие уровни экспрессии, чем промоторы, использующие TFIID/TBP-механизм рекрутирования. Например, одно исследование показало, что различные геномы *Saccharomyces* имеют консенсусную последовательность 5' TATA(A/T)A(A/T)(A/G) 3', однако последовательность TATA содержится лишь примерно в 20% генов дрожжей. Аналогично, у человека только 24% генов имеют промоторные области, содержащие коробку TATA. Гены, содержащие коробку TATA, как правило, участвуют в ответах на стресс и определенных типах метаболизма и более строго регулируются по сравнению с генами, не содержащими TATA. Обычно гены, содержащие TATA, не участвуют в основных клеточных функциях, таких как рост клеток, репликация ДНК, транскрипция и трансляция, из-за их высокой степени регуляции. Формирование TATA-бокса происходит посредством области антипараллельных β-листов в белке. Четыре водородные связи образуются между полярными боковыми цепями аминокислот TBP (Asn27, Asn117, Thr82, Thr173) и основаниями в минорной бороздке. Эти вторичные взаимодействия индуцируют изгиб ДНК и раскручивание спирали. Степень изгиба ДНК зависит от вида и последовательности. Например, в одном исследовании последовательность промотора TATA аденовируса (5' CGCTATAAAAGGGC 3') использовалась в качестве модельной последовательности для связывания, и было обнаружено, что связывание человеческого TBP с коробкой TATA индуцирует изгиб на 97° в сторону мажорной бороздки, в то время как белок TBP дрожжей индуцирует изгиб только на 82°. Рентгенокристаллографические исследования комплексов TBP/TATA-бокс в целом подтверждают, что ДНК претерпевает изгиб примерно на 80° в процессе связывания TBP. Затем TFIIB связывается с комплексом ДНК TFIIA/TFIID посредством взаимодействий выше и ниже коробки TATA. РНК-полимераза II затем рекрутируется к этому мультибелковому комплексу с помощью TFIIF. Это скопление РНК-полимеразы II и различных факторов транскрипции известно как базальный транскрипционный комплекс (БТК). В этом состоянии он обеспечивает лишь низкий уровень транскрипции. Другие факторы должны стимулировать БТК для повышения уровня транскрипции. Взаимодействие коробок TATA с различными активаторами или репрессорами может влиять на транскрипцию генов различными способами. Усилители – это регуляторные элементы, действующие на большом расстоянии, которые увеличивают активность промотора, в то время как сайленсеры подавляют активность промотора.

Promoter sequences vary between bacteria and eukaryotes. In eukaryotes, the TATA box is located 25 base pairs upstream of the start site that Rpb4/Rbp7 use to initiate transcription. In metazoans, the TATA box is located 30 base pairs upstream of the transcription start site. When promoters use the SAGA/TATA box complex to recruit RNA polymerase II, they are more highly regulated and display higher expression levels than promoters using the TFIID/TBP mode of recruitment. In yeast, for example, one study found that various Saccharomyces genomes had the consensus sequence 5' TATA(A/T)A(A/T)(A/G) 3', yet only about 20% of yeast genes even contained the TATA sequence. Similarly, in humans only 24% of genes have promoter regions containing the TATA box. Genes containing the TATA box tend to be involved in stress responses and certain types of metabolism and are more highly regulated when compared to TATA less genes. Generally, TATA containing genes are not involved in essential cellular functions such as cell growth, DNA replication, transcription, and translation because of their highly regulated nature. of the TATA box via a region of antiparallel β sheets in the protein. Four hydrogen bonds form between polar side chains on TBP amino acid (Asn27, Asn117, Thr82, Thr173)( and bases in the minor groove. These secondary interactions induce bending of the DNA and helical unwinding. The degree of DNA bending is species and sequence dependent. For example, one study used the adenovirus TATA promoter sequence (5' CGCTATAAAAGGGC 3') as a model binding sequence and found that human TBP binding to the TATA box induced a 97° bend toward the major groove while the yeast TBP protein only induced an 82° bend. X ray crystallography studies of TBP/TATA box complexes generally agree that the DNA goes through an ~80° bend during the process of TBP binding. TFIIB then binds to the TFIID TFIIA DNA complex through interactions both upstream and downstream of the TATA box. RNA polymerase II is then recruited to this multi protein complex with the help of TFIIF. This cluster of RNA polymerase II and various transcription factors is known as the basal transcriptional complex (BTC). In this state, it only gives a low level of transcription. Other factors must stimulate the BTC to increase transcription levels. Interaction of TATA boxes with a variety of activators or repressors can influence the transcription of genes in many ways. Enhancers are long range regulatory elements that increase promoter activity while silencers repress promoter activity.

Мутации

Мутации в области TATA-бокса могут варьироваться от делеции или вставки до точечной мутации, оказывая различное влияние в зависимости от мутировавшего гена. Эти мутации изменяют связывание TATA-связывающего белка (TBP), необходимого для инициации транскрипции. В результате происходит изменение фенотипа, обусловленное неэкспрессируемым геном (рисунок 3).

Вставки или исключения

Одно из первых исследований мутаций в TATA-боксе рассматривало последовательность ДНК из Agrobacterium tumefaciens для гена цитокинина октопинового типа. Дупликация TATA-бокса приводит к значительному снижению ферментативной активности в семядолях и корнях, не оказывая влияния на ферментативные уровни в пыльце. Делеция TATA-бокса приводит к небольшому снижению ферментативной активности в семядолях и корнях, но к значительному снижению ферментативных уровней в пыльце. Однако, в клетках HeLa изменение с TATAAAA на TATACAA приводит к 20-кратному снижению транскрипции. Некоторые заболевания, которые могут быть вызваны этой недостаточностью специфической транскрипции генов, включают: талассемию, рак легких, хроническую гемолитическую анемию, иммуносупрессию, гемофилию B Лейдена, тромбофлебит и инфаркт миокарда. Савинкова и соавторы разработали симуляцию для прогнозирования значения KD для выбранной последовательности TATA-бокса и TBP. Это может быть использовано для прямого прогнозирования фенотипических признаков, возникающих в результате выбранной мутации, исходя из силы связывания TBP с TATA-боксом.

Болезни

Мутации в области TATA-коробки влияют на связывание TATA-связывающего белка (TBP) для инициации транскрипции, что может приводить к развитию фенотипа заболевания у носителей. Рак желудка коррелирует с полиморфизмом TATA-коробки. TATA-коробка содержит сайт связывания для транскрипционного фактора гена PG2. Этот ген производит сыворотку PG2, которая используется в качестве биомаркера для опухолей при раке желудка. Более длинные последовательности TATA-коробки коррелируют с более высоким уровнем сывороточного PG2, что указывает на наличие рака желудка. Носители с более короткими последовательностями TATA-коробки могут производить более низкий уровень сывороточного PG2. Ряд нейродегенеративных расстройств связаны с мутациями TATA-коробки. Среди них выделяют спиноцеребеллярную атаксию и болезнь Хантингтона. При спиноцеребеллярной атаксии фенотип заболевания обусловлен расширением полиглутаминового повтора в TATA-связывающем белке (TBP). Наблюдается накопление клеток TBP, содержащих полиглутамин, что подтверждается наличием белковых агрегатов в образцах мозга пациентов и приводит к гибели нейронов. Слепота может быть вызвана избыточным образованием катаракты, когда TATA-коробка становится мишенью для микроРНК, что приводит к повышению уровня генов, связанных с окислительным стрессом. МикроРНК могут нацеливаться на 3'-нетранслируемую область и связываться с TATA-коробкой для активации транскрипции генов, связанных с окислительным стрессом. Полиморфизмы однонуклеотидных замен (SNP) в TATA-коробках ассоциированы с бета-талассемией, иммуносупрессией и другими неврологическими расстройствами. SNP дестабилизируют комплекс TBP/TATA, что значительно снижает скорость связывания TATA-связывающих белков (TBP) с TATA-коробкой. Это приводит к снижению уровня транскрипции и влияет на тяжесть заболевания. Результаты исследований показывают взаимодействие in vitro, однако результаты могут быть сопоставимы с in vivo. Синдром Жильбера коррелирует с полиморфизмом TATA-коробки гена UTG1A1. Это повышает риск развития желтухи у новорожденных. МикроРНК также играют роль в репликации вирусов, таких как ВИЧ-1. Было обнаружено, что новые микроРНК, кодируемые ВИЧ-1, усиливают продукцию вируса и активируют латентность ВИЧ-1, нацеливаясь на область TATA-коробки.

Mutations in the TATA box region affects the binding of the TATA binding protein (TBP) for transcription initiation, which may cause carriers to have a disease phenotype. Gastric cancer is correlated with TATA box polymorphism. The TATA box has a binding site for the transcription factor of the PG2 gene. This gene produces PG2 serum, which is used as a biomarker for tumours in gastric cancer. Longer TATA box sequences correlates with higher levels of PG2 serum indicating gastric cancer conditions. Carriers with shorter TATA box sequences may produce lower levels of PG2 serum. Several neurodegenerative disorders are associated TATA box mutations. Two disorders have been highlighted, spinocerebellar ataxia and Huntington's disease. In spinocerebellar ataxia, the disease phenotype is caused by expansion of the polyglutamine repeat in the TATA binding protein (TBP). An accumulation of these polyglutamine TBP cells will occur, as shown by protein aggregates in brain sections of patients, resulting in a loss of neuronal cells. Blindness can be caused by excessive cataract formation when the TATA box is targeted by microRNAs to increase the level of oxidative stress genes. MicroRNAs can target the 3' untranslated region and bind to the TATA box to activate the transcription of oxidative stress related genes. SNPs in TATA boxes are associated with B thalassemia, immunosuppression, and other neurological disorders. SNPs destabilize the TBP/TATA complex which significantly decreases the rate at which TATA binding proteins (TBP) will bind to the TATA box. This leads to lower levels of transcription affecting the severity of the disease. Results from studies have shown the interaction in vitro so far, but results may be comparable to that in vivo. Gilbert's syndrome is correlated with UTG1A1 TATA box polymorphism. This poses a risk for developing jaundice in newborns. MicroRNAs also play a role in replicating viruses such as HIV 1. Novel HIV 1 encoded microRNA have been found to enhance the production of the virus as well as activating HIV 1 latency by targeting the TATA box region.

Технология

Многие из проведенных на сегодняшний день исследований были выполнены in vitro, предоставляя лишь прогноз того, что может произойти, а не отражение происходящего в клетках в реальном времени. Недавние исследования, проведенные в 2016 году, были направлены на демонстрацию активности связывания TATA in vivo. Недавно in vivo были задокументированы специфические механизмы инициации транскрипции для основных промоторов, осуществляемые каноническим TBP/TFIID-зависимым базальным транскрипционным аппаратом, демонстрирующие активацию SRF-зависимой восходящей активирующей последовательностью (UAS) гена ACTB человека, участвующего в связывании с TATA-элементом.

Лечение рака

Фармацевтические компании на протяжении многих лет разрабатывали препараты для терапии рака, нацеленные на ДНК традиционными методами, и добились успеха. Однако токсичность этих препаратов побудила ученых исследовать другие процессы, связанные с ДНК, которые можно было бы использовать в качестве альтернативных мишеней. В последние годы прилагаются совместные усилия для поиска специфических для рака молекулярных мишеней, таких как белково-ДНК комплексы, включающие мотив связывания TATA. Соединения, захватывающие промежуточный белок-ДНК комплекс, могут оказаться токсичными для клетки при взаимодействии с процессами обработки ДНК. Примеры препаратов, содержащих такие соединения, включают топотекан, SN 38 (топоизомераза I), доксорубицин и митоксантрон (топоизомераза II). В отличие от других представителей того же вида, у Malus baccata var. xiaojinensis в промоторе выше по течению от промотора транспортера железа 1 (IRT1) присутствует TATA-бокс. В результате повышается активность промотора, увеличивается активность TFIID и, следовательно, инициируется транскрипция, что приводит к более эффективному усвоению железа.