Промоторы ДНК и регуляция транскрипции

Введение

Регион ДНК, способствующий транскрипции

В генетике промотор – это последовательность ДНК, к которой связываются белки для инициирования транскрипции одной РНК-транскрипта из ДНК ниже по течению от промотора. РНК-транскрипт может кодировать белок (мРНК) или выполнять функцию сам по себе, например, тРНК или рРНК. Промоторы расположены вблизи участков начала транскрипции генов, выше по течению ДНК (к 5'-концу смысловой цепи). Промоторы могут быть длиной от 100 до 1000 пар оснований, последовательность которых сильно зависит от гена и продукта транскрипции, типа или класса РНК-полимеразы, рекрутированной на участок, и вида организма. Промоторы контролируют экспрессию генов у бактерий и эукариот. РНК-полимераза должна присоединяться к ДНК вблизи гена для начала транскрипции. Последовательности ДНК промотора обеспечивают сайт связывания фермента. Последовательность -10 равна TATAAT. Последовательности -35 в среднем консервативны, но не встречаются в большинстве промоторов. Искусственные промоторы с сохраненными элементами -10 и -35 транскрибируют медленнее. Все ДНК содержат "близко расположенные промоторы". Возможны дивергентная, тандемная и конвергентная ориентации. Два близко расположенных промотора, вероятно, будут мешать друг другу. Регуляторные элементы могут находиться на расстоянии нескольких килобаз от участка начала транскрипции в промоторах генов (энхансеры). У эукариот транскрипционный комплекс может изгибать ДНК, позволяя регуляторным последовательностям располагаться далеко от участка транскрипции. Дистальный промотор расположен выше по течению от гена и может содержать дополнительные регуляторные элементы со слабым влиянием. РНК-полимераза II (РНКП II), связанная с промотором участка начала транскрипции, может начать синтез мРНК. Он также обычно содержит CpG-острова, TATA-бокс и элементы распознавания TFIIB. Гиперметилирование подавляет экспрессию генов, а деметилирование – активирует. Некодирующие РНК связаны с промоторными областями мРНК. Субгеномные промоторы варьируются от 24 до 100 нуклеотидов (вирус желтой некротической вены свеклы). Экспрессия генов зависит от связывания с промотором. Нежелательные изменения генов могут повысить риск развития рака в клетке. Промоторы микроРНК часто содержат CpG-острова. Метилирование ДНК образует 5-метилцитозины в 5'-пиримидиновом кольце остатков цитозина CpG. Некоторые онкогены заблокированы мутациями, но большинство – метилированием ДНК. Другие – это регулируемые промоторы. Естественный отбор может благоприятствовать менее энергетически затратному транскрипционному связыванию. Вариации в промоторах или факторах транскрипции вызывают некоторые заболевания. Недопонимание может возникнуть из-за использования канонической последовательности для описания промотора.

In genetics, a promoter is a sequence of DNA to which proteins bind to initiate transcription of a single RNA transcript from the DNA downstream of the promoter. The RNA transcript may encode a protein (mRNA), or can have a function in and of itself, such as tRNA or rRNA. Promoters are located near the transcription start sites of genes, upstream on the DNA (towards the 5' region of the sense strand). Promoters can be about 100–1000 base pairs long, the sequence of which is highly dependent on the gene and product of transcription, type or class of RNA polymerase recruited to the site, and species of organism. Promoters control gene expression in bacteria and eukaryotes. RNA polymerase must attach to DNA near a gene for transcription to occur. Promoter DNA sequences provide an enzyme binding site. The 10 sequence is TATAAT. 35 sequences are conserved on average, but not in most promoters. Artificial promoters with conserved 10 and 35 elements transcribe more slowly. All DNAs have "Closely spaced promoters". Divergent, tandem, and convergent orientations are possible. Two closely spaced promoters will likely interfere. Regulatory elements can be several kilobases away from the transcriptional start site in gene promoters (enhancers). In eukaryotes, the transcriptional complex can bend DNA, allowing regulatory sequences to be placed far from the transcription site. The distal promoter is upstream of the gene and may contain additional regulatory elements with a weaker influence. RNA polymerase II (RNAP II) bound to the transcription start site promoter can start mRNA synthesis. It also typically contains CpG islands, a TATA box, and TFIIB recognition elements. Hypermethylation downregulates both genes, while demethylation upregulates them. Non coding RNAs are linked to mRNA promoter regions. Subgenomic promoters range from 24 to 100 nucleotides (Beet necrotic yellow vein virus). Gene expression depends on promoter binding. Unwanted gene changes can increase a cell's cancer risk. MicroRNA promoters often contain CpG islands. DNA methylation forms 5 methylcytosines at the 5' pyrimidine ring of CpG cytosine residues. Some cancer genes are silenced by mutation, but most are silenced by DNA methylation. Others are regulated promoters. Selection may favor less energetic transcriptional binding. Variations in promoters or transcription factors cause some diseases. Misunderstandings can result from using a canonical sequence to describe a promoter.

Обзор

Чтобы произошла транскрипция, фермент, синтезирующий РНК, известный как РНК-полимераза, должен присоединиться к ДНК вблизи гена. Промоторы содержат специфические последовательности ДНК, такие как ответные элементы, которые обеспечивают надёжное начальное место связывания для РНК-полимеразы и белков, называемых факторами транскрипции, которые рекрутируют РНК-полимеразу. Эти факторы транскрипции имеют специфические активаторные или репрессорные последовательности соответствующих нуклеотидов, которые присоединяются к специфическим промоторам и регулируют экспрессию генов. У бактерий промотор распознаётся РНК-полимеразой и ассоциированным с ней сигма-фактором, которые, в свою очередь, часто доставляются к промоторной ДНК посредством связывания активаторного белка с его собственным сайтом связывания ДНК поблизости. У эукариот процесс более сложный, и для связывания РНК-полимеразы II с промотором необходимо как минимум семь различных факторов. Промоторы представляют собой критически важные элементы, которые могут действовать совместно с другими регуляторными областями (усилителями, сайленсерами, граничными элементами/изоляторами) для определения уровня транскрипции конкретного гена. Промотор индуцируется в ответ на изменения в количестве или конформации регуляторных белков в клетке, что позволяет активирующим факторам транскрипции рекрутировать РНК-полимеразу.

Определение относительного местоположения

Поскольку промоторы обычно расположены непосредственно перед интересующим геном, позиции в промоторе указываются относительно точки начала транскрипции, то есть места, где начинается транскрипция ДНК для данного гена (например, позиции выше по потоку обозначаются отрицательными числами, отсчитываемыми от 1, таким образом, 100 соответствует позиции в 100 парах оснований выше по потоку).

Двунаправленный (прокариотический)

Промоторы могут быть расположены очень близко друг к другу в ДНК. Такие "близко расположенные промоторы" наблюдались в ДНК всех форм жизни, от человека до прокариот, и высоко консервативны. Следовательно, они могут обеспечивать некоторые (в настоящее время неизвестные) преимущества. Эти пары промоторов могут быть расположены в дивергентном, тандемном и конвергентном направлениях. Они также могут регулироваться факторами транскрипции и различаться по различным характеристикам, таким как нуклеотидное расстояние между ними, сила промоторов и т.д. Наиболее важным аспектом двух близко расположенных промоторов является то, что они, вероятнее всего, будут взаимно ингибировать друг друга. Несколько исследований изучали это, используя как аналитические, так и стохастические модели. Также существуют исследования, измерявшие экспрессию генов в синтетических генах или от одного-нескольких генов, контролируемых двунаправленными промоторами. Недавно одно исследование измерило экспрессию большинства генов, контролируемых тандемными промоторами в *E. coli*. В этом исследовании были измерены и затем смоделированы две основные формы ингибирования. Одна – когда РНК-полимераза находится на нисходящем промоторе, блокируя движение РНК-полимераз, осуществляющих элонгацию от восходящего промотора. Другая – когда два промотора расположены настолько близко друг к другу, что когда РНК-полимераза связывается с одним из них, она препятствует доступу любой другой РНК-полимеразы к другому промотору. Эти события возможны, поскольку РНК-полимераза занимает несколько нуклеотидов при связывании с ДНК, включая участки инициации транскрипции. Подобные события происходят и при дивергентном и конвергентном расположении промоторов. Возможные механизмы ингибирования также зависят от расстояния между ними.

Промоторы для млекопитающих

Регулирование транскрипции у млекопитающих. Активная регуляторная область усилителя способна взаимодействовать с промоторной областью своего целевого гена путем образования хромосомной петли. Это может инициировать синтез мессенджерной РНК (мРНК) РНК-полимеразой II (РНКП II), связанной с промотором в точке начала транскрипции гена. Петля стабилизируется одним архитектурным белком, закрепленным на усилителе, и другим, закрепленным на промоторе, и эти белки соединяются, образуя димер (красные зигзаги). Специфические регуляторные факторы транскрипции связываются с мотивом последовательности ДНК на усилителе. Общие факторы транскрипции связываются с промотором. Когда транскрипционный фактор активируется сигналом (здесь обозначен как фосфорилирование, показанное маленькой красной звездой на транскрипционном факторе на усилителе), усилитель активируется и теперь может активировать свой целевой промотор. Активный усилитель транскрибируется на каждой нити ДНК в противоположных направлениях связанными РНКП II. Медиатор (коактиватор) (комплекс, состоящий примерно из 26 белков во взаимодействующей структуре) передает регуляторные сигналы от факторов транскрипции, связанных с ДНК на усилителе, к промотору. Повышенная экспрессия генов у млекопитающих начинается, когда сигналы передаются промоторам, связанным с генами. Последовательности ДНК промоторов могут включать различные элементы, такие как CpG-острова (присутствуют примерно в 70% промоторов), TATA-бокс (присутствует примерно в 24% промоторов), инициатор (Inr) (присутствует примерно в 49% промоторов), элементы распознавания TFIIB выше и ниже по потоку (BREu и BREd) (присутствуют примерно в 22% промоторов) и элемент основного промотора ниже по потоку (DPE) (присутствует примерно в 12% промоторов). Наличие нескольких метилированных участков CpG в CpG-островах промоторов вызывает стабильное подавление генов. Однако наличие или отсутствие других элементов оказывает относительно небольшое влияние на экспрессию генов в экспериментах. Две последовательности, TATA-бокс и Inr, вызвали небольшое, но значительное увеличение экспрессии (45% и 28% соответственно). Элементы BREu и BREd значительно снизили экспрессию на 35% и 20% соответственно, а элемент DPE не оказал обнаруживаемого влияния на экспрессию. Эти модули цис-регуляции включают усилители, сайленсеры, изоляторы и элементы привязки. Среди этого набора элементов усилители и связанные с ними факторы транскрипции играют ведущую роль в регуляции экспрессии генов. Усилители – это области генома, являющиеся основными регуляторными элементами генов. Усилители контролируют специфичные для типа клетки программы экспрессии генов, чаще всего, проходя через большие расстояния, чтобы оказаться в физической близости с промоторами своих целевых генов. В исследовании нейронов коры головного мозга было обнаружено 24 937 петель, которые приводят усилители к промоторам. Несколько специфичных для клеточной функции факторов транскрипции (в клетке человека насчитывается около 1600 факторов транскрипции) обычно связываются с определенными мотивами на усилителе, и небольшая комбинация этих факторов транскрипции, связанных с усилителем, при приближении к промотору посредством ДНК-петли, регулирует уровень транскрипции целевого гена. Медиатор (коактиватор) (комплекс, обычно состоящий примерно из 26 белков во взаимодействующей структуре) передает регуляторные сигналы от факторов транскрипции, связанных с ДНК на усилителе, непосредственно ферменту РНК-полимеразы II (pol II), связанному с промотором. Активные усилители обычно транскрибируются с обеих нитей ДНК с помощью РНК-полимераз, действующих в двух разных направлениях, производя две eRNA, как показано на рисунке. Неактивный усилитель может быть связан с неактивным фактором транскрипции. Фосфорилирование фактора транскрипции может активировать его, а активированный фактор транскрипции может затем активировать усилитель, к которому он привязан (см. маленькую красную звезду, представляющую фосфорилирование фактора транскрипции, связанного с усилителем на иллюстрации). Активированный усилитель начинает транскрипцию своей РНК, прежде чем активировать промотор для инициирования транскрипции мессенджерной РНК из своего целевого гена.

thumb|left|500px| Regulation of transcription in mammals. An active enhancer regulatory region is enabled to interact with the promoter region of its target gene by formation of a chromosome loop. This can initiate messenger RNA (mRNA) synthesis by RNA polymerase II (RNAP II) bound to the promoter at the transcription start site of the gene. The loop is stabilized by one architectural protein anchored to the enhancer and one anchored to the promoter and these proteins are joined to form a dimer (red zigzags). Specific regulatory transcription factors bind to DNA sequence motifs on the enhancer. General transcription factors bind to the promoter. When a transcription factor is activated by a signal (here indicated as phosphorylation shown by a small red star on a transcription factor on the enhancer) the enhancer is activated and can now activate its target promoter. The active enhancer is transcribed on each strand of DNA in opposite directions by bound RNAP IIs. Mediator (coactivator) (a complex consisting of about 26 proteins in an interacting structure) communicates regulatory signals from the enhancer DNA bound transcription factors to the promoter. Up regulated expression of genes in mammals is initiated when signals are transmitted to the promoters associated with the genes. Promoter DNA sequences may include different elements such as CpG islands (present in about 70% of promoters), a TATA box (present in about 24% of promoters), initiator (Inr) (present in about 49% of promoters), upstream and downstream TFIIB recognition elements (BREu and BREd) (present in about 22% of promoters), and downstream core promoter element (DPE) (present in about 12% of promoters). The presence of multiple methylated CpG sites in CpG islands of promoters causes stable silencing of genes. However, the presence or absence of the other elements have relatively small effects on gene expression in experiments. Two sequences, the TATA box and Inr, caused small but significant increases in expression (45% and 28% increases, respectively). The BREu and the BREd elements significantly decreased expression by 35% and 20%, respectively, and the DPE element had no detected effect on expression. These cis regulatory modules include enhancers, silencers, insulators and tethering elements. Among this constellation of elements, enhancers and their associated transcription factors have a leading role in the regulation of gene expression. Enhancers are regions of the genome that are major gene regulatory elements. Enhancers control cell type specific gene expression programs, most often by looping through long distances to come in physical proximity with the promoters of their target genes. In a study of brain cortical neurons, 24,937 loops were found, bringing enhancers to promoters. Several cell function specific transcription factors (there are about 1,600 transcription factors in a human cell) generally bind to specific motifs on an enhancer and a small combination of these enhancer bound transcription factors, when brought close to a promoter by a DNA loop, govern the level of transcription of the target gene. Mediator (coactivator) (a complex usually consisting of about 26 proteins in an interacting structure) communicates regulatory signals from enhancer DNA bound transcription factors directly to the RNA polymerase II (pol II) enzyme bound to the promoter. Enhancers, when active, are generally transcribed from both strands of DNA with RNA polymerases acting in two different directions, producing two eRNAs as illustrated in the Figure. An inactive enhancer may be bound by an inactive transcription factor. Phosphorylation of the transcription factor may activate it and that activated transcription factor may then activate the enhancer to which it is bound (see small red star representing phosphorylation of transcription factor bound to enhancer in the illustration). An activated enhancer begins transcription of its RNA before activating a promoter to initiate transcription of messenger RNA from its target gene.

Двунаправленный (у млекопитающих)

Двунаправленные промоторы – это короткие (<1 кбп) межгенные области ДНК между 5'-концами генов в двунаправленной паре генов. «Двунаправленная пара генов» относится к двум соседним генам, кодируемым на противоположных цепях, с их 5'-концами, ориентированными друг к другу. Эти два гена часто функционально связаны, и модификация их общей промоторной области позволяет им координированно регулироваться и, следовательно, коэкспрессироваться. Двунаправленные промоторы – распространенная особенность геномов млекопитающих. Примерно 11% человеческих генов образуют двунаправленные пары. Анализ с помощью микромассивов показал, что гены, образующие двунаправленные пары, коэкспрессируются в большей степени, чем случайные гены или соседние однонаправленные гены. Однако существуют исключения. В некоторых случаях (примерно в 11%) экспрессируется только один ген из двунаправленной пары. Некоторые функциональные классы генов с большей вероятностью образуют двунаправленные пары, чем другие. Гены, участвующие в репарации ДНК, в пять раз чаще регулируются двунаправленными промоторами, чем однонаправленными промоторами. Белки-шапероны – в три раза чаще, а митохондриальные гены – более чем в два раза чаще. Многие гены, отвечающие за базовое поддержание жизнедеятельности клетки и клеточный метаболизм, регулируются двунаправленными промоторами. CCAAT-боксы встречаются часто, как и во многих промоторах, не содержащих TATA-боксы. Кроме того, мотивы NRF 1, GABPA, YY1 и ACTACAnnTCCC представлены в двунаправленных промоторах значительно чаще, чем в однонаправленных промоторах. Отсутствие TATA-боксов в двунаправленных промоторах позволяет предположить, что TATA-боксы играют роль в определении направленности промоторов, но наличие TATA-боксов в некоторых двунаправленных промоторах и отсутствие их в некоторых однонаправленных промоторах указывает на то, что они не являются единственным определяющим фактором. Хотя термин «двунаправленный промотор» относится конкретно к промоторным областям генов, кодирующих мРНК, анализы с использованием люциферазы показали, что более половины человеческих генов не имеют выраженной направленности. Исследования показывают, что некодирующие РНК часто ассоциированы с промоторными областями генов, кодирующих мРНК. Предполагается, что рекрутирование и инициирование РНК-полимеразы II обычно начинается двунаправленно, но дивергентная транскрипция останавливается на контрольной точке на более поздней стадии удлинения. Возможные механизмы, лежащие в основе этой регуляции, включают последовательности в промоторной области, модификацию хроматина и пространственную ориентацию ДНК.

Bidirectional promoters are short (<1 kbp) intergenic regions of DNA between the 5' ends of the genes in a bidirectional gene pair. A “bidirectional gene pair” refers to two adjacent genes coded on opposite strands, with their 5' ends oriented toward one another. The two genes are often functionally related, and modification of their shared promoter region allows them to be co regulated and thus co expressed. Bidirectional promoters are a common feature of mammalian genomes. About 11% of human genes are bidirectionally paired. Microarray analysis has shown bidirectionally paired genes to be co expressed to a higher degree than random genes or neighboring unidirectional genes. There are exceptions to this, however. In some cases (about 11%), only one gene of a bidirectional pair is expressed. Some functional classes of genes are more likely to be bidirectionally paired than others. Genes implicated in DNA repair are five times more likely to be regulated by bidirectional promoters than by unidirectional promoters. Chaperone proteins are three times more likely, and mitochondrial genes are more than twice as likely. Many basic housekeeping and cellular metabolic genes are regulated by bidirectional promoters. CCAAT boxes are common, as they are in many promoters that lack TATA boxes. In addition, the motifs NRF 1, GABPA, YY1, and ACTACAnnTCCC are represented in bidirectional promoters at significantly higher rates than in unidirectional promoters. The absence of TATA boxes in bidirectional promoters suggests that TATA boxes play a role in determining the directionality of promoters, but counterexamples of bidirectional promoters do possess TATA boxes and unidirectional promoters without them indicates that they cannot be the only factor. Although the term "bidirectional promoter" refers specifically to promoter regions of mRNA encoding genes, luciferase assays have shown that over half of human genes do not have a strong directional bias. Research suggests that non coding RNAs are frequently associated with the promoter regions of mRNA encoding genes. It has been hypothesized that the recruitment and initiation of RNA polymerase II usually begins bidirectionally, but divergent transcription is halted at a checkpoint later during elongation. Possible mechanisms behind this regulation include sequences in the promoter region, chromatin modification, and the spatial orientation of the DNA.

Обнаружение

Разработано множество алгоритмов для облегчения обнаружения промоторов в геномной последовательности, и прогнозирование промоторов является распространенным элементом многих методов предсказания генов. Промоторный регион расположен перед консенсусными последовательностями -35 и -10. Чем ближе промоторный регион к консенсусным последовательностям, тем чаще будет происходить транскрипция данного гена. В отличие от консенсусных последовательностей, для промоторных регионов не существует фиксированной модели.

Эволюционные изменения

[[Файл:Суперпозиция между распределениями промоторов.png|thumb|Суперпозиция распределений промоторов от Homo sapiens, Drosophila melanogaster, Oryza sativa и Arabidopsis thaliana. Красные области обозначают консервативные последовательности промоторов.

Обязательно

Инициация транскрипции – многоступенчатый последовательный процесс, включающий несколько механизмов: поиск промотора, начальное обратимое связывание РНК-полимеразы, конформационные изменения в РНК-полимеразе, конформационные изменения в ДНК, связывание нуклеозидтрифосфата (НТФ) с функциональным комплексом промотора РНК-полимеразы, а также непродуктивное и продуктивное начало синтеза РНК. Поиск промотора связывают со структурой голофермента и комплексами сигма-фактора 4 с ДНК.

Болезни, связанные с аберрантными функциями

Большинство заболеваний имеют гетерогенную природу, то есть одна "болезнь" часто представляет собой множество различных заболеваний на молекулярном уровне, хотя проявляемые симптомы и реакция на лечение могут быть идентичными. То, как заболевания различного молекулярного происхождения реагируют на лечение, частично изучается в фармакогеномике. Здесь не перечислены многочисленные виды рака, связанные с аберрантной регуляцией транскрипции из-за образования химерных генов в результате патологической хромосомной транслокации. Важно отметить, что воздействие на количество или структуру белков, связанных с промотором, является одним из ключевых способов лечения заболевания, не затрагивая экспрессию не связанных генов, имеющих общие элементы с целевым геном. Некоторые гены, изменения в которых нежелательны, способны влиять на способность клетки стать злокачественной.

Острова CpG в промоутерах

У человека около 70% промоторов, расположенных рядом с началом транскрипции гена (проксимальные промоторы), содержат CpG-остров. CpG-острова обычно имеют длину от 200 до 2000 пар оснований, содержание пар оснований C:G превышает 50% и характеризуются участками ДНК, где за цитозиновым нуклеотидом следует гуаниновый нуклеотид, что часто встречается в линейной последовательности оснований в направлении от 5' к 3'. Дистальные промоторы также часто содержат CpG-острова, например, промотор гена репарации ДНК ERCC1, где CpG-остров, содержащий промотор, расположен примерно в 5400 нуклеотидах выше по течению от кодирующей области гена ERCC1. CpG-острова также часто встречаются в промоторах функциональных некодирующих РНК, таких как микроРНК.

Учредительный против регулируемого

Некоторые промоторы называются конститутивными, так как они активны при любых условиях в клетке, в то время как другие являются регулируемыми и становятся активными в клетке только в ответ на специфические стимулы.

Тканьо-специфический промотор

Тканеспецифический промотор — это промотор, который проявляет активность только в определенных типах клеток.

Использование термина

Когда речь идет о промоторе, некоторые авторы фактически имеют в виду промотор вместе с оператором; то есть, промотор lac-оперона индуцируется IPTG, что означает, что помимо промотора lac-оперона присутствует и сам lac-оперон. Если бы оператора lac-оперона не было, IPTG не оказал бы индукционного эффекта. Другой пример – система промотора Tac (Ptac). Обратите внимание, как Tac записывается как промотор Tac, хотя на самом деле Tac представляет собой как промотор, так и оператор.