Введение
Белок, регулирующий скорость транскрипции ДНК.
В молекулярной биологии транскрипционный фактор (ТФ) (или фактор связывания с ДНК по специфической последовательности) — это белок, который контролирует скорость транскрипции генетической информации от ДНК к мРНК, связываясь с определенной последовательностью ДНК. Функция ТФ заключается в регуляции — включении и выключении — генов, чтобы обеспечить их экспрессию в нужных клетках, в нужное время и в нужном количестве на протяжении всей жизни клетки и организма. Группы ТФ функционируют согласованно, направляя деление клеток, рост клеток и гибель клеток на протяжении всей жизни; миграцию и организацию клеток (план строения тела) во время эмбрионального развития; а также периодически в ответ на сигналы извне клетки, такие как гормоны. В геноме человека насчитывается около 1600 ТФ. Транскрипционные факторы являются компонентами как протеома, так и регулома. ТФ работают самостоятельно или с другими белками в комплексе, способствуя (как активаторы) или блокируя (как репрессоры) рекрутирование РНК-полимеразы (фермента, осуществляющего транскрипцию генетической информации от ДНК к РНК) к определенным генам. Характерной особенностью ТФ является наличие как минимум одного ДНК-связывающего домена (DBD), который присоединяется к специфической последовательности ДНК, расположенной рядом с регулируемыми генами. ТФ классифицируются на основе их DBD. ТФ представляют интерес для медицины, поскольку мутации ТФ могут вызывать специфические заболевания, и лекарственные препараты потенциально могут быть нацелены на них.
Функция
Транскрипционные факторы – одна из групп белков, считывающих и интерпретирующих генетический "чертёж" в ДНК. Они связываются с ДНК и способствуют запуску программы усиления или подавления транскрипции генов. Таким образом, они необходимы для многих важных клеточных процессов. Ниже перечислены некоторые из ключевых функций и биологических ролей, в которых участвуют транскрипционные факторы:
Базальная регуляция транскрипции
Для транскрипции у эукариот необходим важный класс факторов транскрипции, называемых общими факторами транскрипции (GTF). Многие из этих GTF сами по себе не связываются с ДНК, а являются частью крупного преинициационного комплекса транскрипции, который непосредственно взаимодействует с РНК-полимеразой. Наиболее распространенными GTF являются TFIIA, TFIIB, TFIID (см. также белок, связывающий TATA-бокс), TFIIE, TFIIF и TFIIH. Преинициационный комплекс связывается с промоторными участками ДНК, расположенными выше по течению от регулируемого гена.
Дифференциальное усиление транскрипции
Другие факторы транскрипции дифференциально регулируют экспрессию различных генов, связываясь с усиливающими участками ДНК, расположенными рядом с регулируемыми генами. Эти факторы транскрипции критически важны для обеспечения экспрессии генов в нужной клетке, в нужное время и в необходимом количестве, в соответствии с изменяющимися потребностями организма.
Разработка
Многие факторы транскрипции в многоклеточных организмах вовлечены в процессы развития. Реагируя на стимулы, эти факторы транскрипции активируют или подавляют транскрипцию соответствующих генов, что, в свою очередь, обеспечивает изменения в морфологии клетки или ее активности, необходимые для определения судьбы клетки и клеточной дифференцировки. Семейство факторов транскрипции Hox, например, играет важную роль в правильном формировании плана строения тела у самых разных организмов, от фруктовых мушек до человека. Другой пример – фактор транскрипции, кодируемый геном SRY (регион определения пола Y-хромосомы), который играет ключевую роль в определении пола у человека.
Реакция на межклеточные сигналы
Клетки могут общаться друг с другом, выделяя молекулы, которые запускают сигнальные каскады в другой восприимчивой клетке. Если сигнал требует повышения или понижения экспрессии генов в клетке-реципиенте, то в сигнальном каскаде ниже по течению часто оказываются факторы транскрипции. Сигнализация эстрогена – пример относительно короткого сигнального каскада, включающего транскрипционный фактор – рецептор эстрогена: эстроген секретируется такими тканями, как яичники и плацента, проникает через клеточную мембрану клетки-реципиента и связывается с рецептором эстрогена в цитоплазме клетки. Затем рецептор эстрогена перемещается в ядро клетки и связывается со своими участками связывания ДНК, изменяя транскрипционную регуляцию соответствующих генов.
Ответ на окружающую среду
Факторы транскрипции действуют не только ниже по течению от каскадов сигнализации, связанных с биологическими стимулами, но также могут находиться ниже по течению от каскадов сигнализации, вовлеченных в ответ на факторы окружающей среды. Примерами служат фактор теплового шока (HSF), который повышает экспрессию генов, необходимых для выживания при повышенных температурах, фактор, индуцируемый гипоксией (HIF), который повышает экспрессию генов, необходимых для выживания клеток в условиях низкой концентрации кислорода, и стерол-регуляторный элемент-связывающий белок (SREBP), который способствует поддержанию надлежащего уровня липидов в клетке.
Контроль клеточного цикла
Многие факторы транскрипции, особенно некоторые, являющиеся протоонкогенами или генами-супрессорами опухолей, участвуют в регуляции клеточного цикла и, следовательно, определяют размер клетки и момент её деления на две дочерние клетки. Примером является онкоген Myc, играющий важную роль в росте клеток и апоптозе.
Патогенез
Факторы транскрипции также могут использоваться для изменения экспрессии генов в клетке-хозяине с целью усиления патогенеза. Хорошо изученным примером являются эффекторы, подобные активаторам транскрипции (TAL-эффекторы), выделяемые бактериями Xanthomonas. При попадании в растения эти белки могут проникать в ядро растительной клетки, связываться с последовательностями растительных промоторов и активировать транскрипцию генов растений, способствующих бактериальной инфекции. TAL-эффекторы содержат центральную повторяющуюся область, в которой существует простая зависимость между идентификацией двух ключевых аминокислотных остатков в последовательных повторах и последовательными основаниями ДНК в целевом участке TAL-эффектора. Это свойство, вероятно, облегчает эволюцию этих белков для более эффективной конкуренции с защитными механизмами клетки-хозяина.
Регулирование
В биологии часто важные процессы подвергаются многоуровневому регулированию и контролю. Это справедливо и для факторов транскрипции: они не только управляют скоростью транскрипции, регулируя количество генетических продуктов (РНК и белка), доступных клетке, но и сами подвергаются регулированию (часто другими факторами транскрипции). Ниже представлен краткий обзор некоторых способов, которыми может регулироваться активность факторов транскрипции:
Синтез
Факторы транскрипции (как и все белки) транскрибируются из гена на хромосоме в РНК, а затем РНК транслируется в белок. Любой из этих этапов может регулироваться, влияя на производство (и, следовательно, активность) фактора транскрипции. Из этого следует, что факторы транскрипции способны регулировать сами себя. Например, в схеме отрицательной обратной связи фактор транскрипции выступает в роли собственного репрессора: если белок фактора транскрипции связывается с ДНК своего гена, он подавляет выработку новых молекул самого себя. Это один из механизмов поддержания низкого уровня фактора транскрипции в клетке.
Ядерная локализация
В эукариотах факторы транскрипции (как и большинство белков) транскрибируются в ядре, но затем транслируются в цитоплазме клетки. Многие белки, активные в ядре, содержат сигналы ядерной локализации, направляющие их в ядро. Однако для многих факторов транскрипции это ключевой момент в их регуляции. Важные классы факторов транскрипции, такие как некоторые ядерные рецепторы, должны сначала связаться с лигандом, находясь в цитоплазме, прежде чем они смогут переместиться в ядро. Многие факторы транскрипции, например белки STAT, должны быть фосфорилированы до связывания с ДНК. Взаимодействие с другими факторами транскрипции (например, гомо- или гетеродимеризация) или сорегулирующими белками.
Доступность места связывания ДНК
У эукариот ДНК организована с помощью гистонов в компактные частицы, называемые нуклеосомами, где последовательности примерно в 147 пар оснований ДНК совершают около 1,65 витков вокруг октамеров гистонных белков. ДНК внутри нуклеосом недоступна для многих факторов транскрипции. Некоторые факторы транскрипции, так называемые пионерные факторы, всё же способны связываться со своими участками связывания ДНК на нуклеосомной ДНК. Для большинства других факторов транскрипции нуклеосомы должны быть активно развёрнуты молекулярными моторами, такими как комплексы ремоделирования хроматина. В качестве альтернативы, нуклеосома может частично разворачиваться за счёт тепловых флуктуаций, обеспечивая временный доступ к участку связывания фактора транскрипции. Во многих случаях фактор транскрипции должен конкурировать за связывание со своим участком ДНК с другими факторами транскрипции, гистонами или негистоновыми белками хроматина. Пары факторов транскрипции и других белков могут играть антагонистические роли (активатор против репрессора) в регуляции одного и того же гена.
Наличие других кофакторов/факторов транскрипции
Большинство факторов транскрипции не работают в одиночку. Многие крупные семейства ТФ формируют сложные гомотипические или гетеротипические взаимодействия посредством димеризации. Для осуществления транскрипции гена необходимо связывание нескольких факторов транскрипции с регуляторными последовательностями ДНК. Эта совокупность факторов транскрипции, в свою очередь, рекрутирует посреднические белки, такие как кофакторы, обеспечивающие эффективный набор преинициационного комплекса и РНК-полимеразы. Таким образом, для инициации транскрипции одним фактором транскрипции необходимо присутствие всех этих других белков, а также способность фактора транскрипции связываться с ними при необходимости. Кофакторы – это белки, модулирующие эффекты факторов транскрипции. Кофакторы могут обмениваться между специфическими генными промоторами; пространственная конформация определяется белковым комплексом, занимающим ДНК-промотор, и аминокислотной последовательностью кофактора. Например, некоторые стероидные рецепторы могут обмениваться кофакторами с NF κB, который выступает переключателем между воспалением и клеточной дифференцировкой, что позволяет стероидам влиять на воспалительный ответ и функцию определенных тканей.
Взаимодействие с метилированным цитозином
Факторы транскрипции и метилированные цитозины в ДНК играют важную роль в регуляции экспрессии генов. (Метилирование цитозина в ДНК происходит преимущественно там, где цитозин следует за гуанином в 5'–3' последовательности ДНК, в CpG-сайтах.) Метилирование CpG-сайтов в промоторной области гена обычно подавляет транскрипцию гена, в то время как метилирование CpG в теле гена увеличивает экспрессию. ТЕТ-ферменты играют центральную роль в деметилировании метилированных цитозинов. Деметилирование CpG в промоторе гена под действием ТЕТ-ферментов увеличивает транскрипцию гена. Были оценены сайты связывания ДНК 519 факторов транскрипции. Из них 169 факторов транскрипции (33%) не содержали динуклеотидов CpG в своих сайтах связывания, а 33 фактора транскрипции (6%) могли связываться с мотивом, содержащим CpG, но не проявляли предпочтения к сайту связывания с метилированным или неметилированным CpG. 117 факторов транскрипции (23%) были ингибированы в связывании со своей последовательностью, если она содержала метилированный CpG-сайт, 175 факторов транскрипции (34%) демонстрировали усиленное связывание, если их последовательность связывания содержала метилированный CpG-сайт, и 25 факторов транскрипции (5%) были либо ингибированы, либо демонстрировали усиленное связывание в зависимости от расположения метилированного CpG в последовательности связывания. ТЕТ-ферменты не связываются специфически с метилцитозином, за исключением случаев рекрутирования (см. Деметилирование ДНК). Показано, что множество факторов транскрипции, важных для дифференцировки клеток и определения клеточной линии, включая NANOG, SALL4A, WT1, EBF1, PU.1 и E2A, рекрутируют ТЕТ-ферменты к специфическим геномным локусам (преимущественно к энхансерам) для воздействия на метилцитозин (mC) и преобразования его в гидроксиметилцитозин (hmC) (и в большинстве случаев маркировки для последующего полного деметилирования до цитозина). Опосредованное ТЕТ-ферментами преобразование mC в hmC нарушает связывание белков, связывающих 5mC, включая MECP2 и белки MBD (метил-CpG-связывающий домен), облегчая ремоделирование нуклеосом и связывание факторов транскрипции, тем самым активируя транскрипцию этих генов. EGR1 является важным фактором транскрипции в формировании памяти. Он играет важную роль в эпигенетической перепрограммировании нейронов мозга. Фактор транскрипции EGR1 рекрутирует белок TET1, который инициирует путь деметилирования ДНК. EGR1, вместе с TET1, участвует в программировании распределения метилирующих сайтов на ДНК мозга во время развития мозга и в процессе обучения (см. Эпигенетика в обучении и памяти).
Домен связывания ДНК
Часть (домен) фактора транскрипции, которая связывается с ДНК, называется доменом связывания ДНК. Ниже приведен частичный список некоторых основных семейств доменов связывания ДНК/транскрипционных факторов:
Семья InterPro Pfam SCOP основная спираль-петля-спираль основная лейцинная молния (bZIP) C-концевой эффекторный домен бипарных регуляторов ответа AP2/ERF/GCC-коробка спираль-поворот-спираль гомеодоменные белки, которые кодируются генами гомеобокса, являются факторами транскрипции. Белки гомеодомена играют критическую роль в регуляции развития. подобный lambda-репрессору подобный srf (фактор ответа сыворотки) парный бокс с крылатой спиралью цинковые пальцы * мультидоменные Cys2His2 цинковые пальцы * Zn2/Cys6 * Zn2/Cys8 цинковый палец ядерного рецептора.
Элементы ответа
Последовательность ДНК, к которой связывается транскрипционный фактор, называется сайтом связывания транскрипционного фактора или элементом ответа. Транскрипционные факторы взаимодействуют со своими сайтами связывания, используя комбинацию электростатических (включая водородные связи как частный случай) и сил Ван-дер-Ваальса. В силу природы этих химических взаимодействий, большинство транскрипционных факторов связывают ДНК последовательно-специфичным образом. Однако не все основания в сайте связывания транскрипционного фактора могут фактически взаимодействовать с этим фактором. Кроме того, некоторые из этих взаимодействий могут быть слабее других. Таким образом, транскрипционные факторы не связывают только одну последовательность, но способны связывать подмножество тесно связанных последовательностей, каждая из которых характеризуется различной силой взаимодействия. Например, хотя консенсусным сайтом связывания для белка, связывающего TATA (TBP), является TATAAAA, транскрипционный фактор TBP также может связывать подобные последовательности, такие как TATATAT или TATATAA. Поскольку транскрипционные факторы могут связывать набор связанных последовательностей, а эти последовательности обычно короткие, потенциальные сайты связывания транскрипционных факторов могут возникать случайно, если последовательность ДНК достаточно длинная. Однако маловероятно, что транскрипционный фактор свяжется со всеми совместимыми последовательностями в геноме клетки. Другие ограничения, такие как доступность ДНК в клетке или наличие кофакторов, также могут определять место фактического связывания транскрипционного фактора. Таким образом, даже зная последовательность генома, остается сложной задача предсказать, где транскрипционный фактор фактически свяжется в живой клетке. Дополнительная специфичность распознавания может быть достигнута за счет использования более одного ДНК-связывающего домена (например, тандемных DBD в одном и том же транскрипционном факторе или путем димеризации двух транскрипционных факторов), которые связываются с двумя или более соседними последовательностями ДНК.
Клиническое значение
Факторы транскрипции имеют клиническое значение как минимум по двум причинам: (1) мутации могут быть ассоциированы с определенными заболеваниями и (2) они могут служить мишенями для лекарственных препаратов.
Потенциальные цели наркотиков
Примерно 10% из числа лекарственных препаратов, которые назначаются в настоящее время, непосредственно воздействуют на класс ядерных рецепторов – факторов транскрипции. Примерами служат тамоксифен и бикалутамид для лечения рака молочной железы и рака предстательной железы соответственно, а также различные типы противовоспалительных и анаболических стероидов. Помимо этого, факторы транскрипции часто подвергаются косвенной модуляции лекарственными средствами посредством сигнальных каскадов. Возможно, станет возможным напрямую воздействовать лекарствами на другие, менее изученные факторы транскрипции, такие как NF κB. Считается, что факторы транскрипции, не входящие в семейство ядерных рецепторов, сложнее сделать мишенью для малых молекул, поскольку неясно, обладают ли они "лекарственной активностью", однако достигнут прогресс в отношении Pax2 и пути Notch.
Роль в эволюции
Дублирование генов сыграло решающую роль в эволюции видов. Это особенно справедливо для факторов транскрипции. Как только они дублируются, накопление мутаций в одной из копий может происходить без негативного влияния на регуляцию генов-мишеней. Однако недавно были выяснены изменения специфичности связывания ДНК фактора транскрипции Leafy, который присутствует у большинства наземных растений. В связи с этим, фактор транскрипции в единственной копии может изменить свою специфичность через неспецифичное промежуточное состояние, не теряя при этом функции. Подобные механизмы предлагались в контексте различных филогенетических гипотез и роли факторов транскрипции в эволюции всех видов.
Роль в деятельности биоконтроля
Факторы транскрипции играют роль в механизмах устойчивости, что важно для успешной биологической защиты растений. Устойчивость к окислительному стрессу и способность к восприятию щелочной среды обусловлены факторами транскрипции Yap1 и Rim101 гриба Papiliotrema terrestris LS28. Использование молекулярных инструментов позволило понять генетические механизмы, лежащие в основе биологической защиты растений, что способствует разработке программ управления болезнями, основанных на биологических и интегрированных методах.
Анализ
Для анализа факторов транскрипции доступны различные технологии. На геномном уровне обычно используются секвенирование ДНК и поиск в базах данных. Белочную версию фактора транскрипции можно обнаружить с помощью специфических антител, при этом образец детектируется методом вестерн-блоттинга. С помощью электрофоретического анализа подвижности сдвига (EMSA) можно определить профиль активации факторов транскрипции. Мультиплексный подход к определению профиля активации – это TF-чип система, позволяющая параллельно детектировать несколько различных факторов транскрипции. Наиболее распространенным методом для выявления участков связывания факторов транскрипции является иммунопреципитация хроматина (ChIP). Эта методика основана на химической фиксации хроматина формальдегидом, за которой следует совместная преципитация ДНК и интересующего фактора транскрипции с использованием антитела, специфичного к этому белку. После этого последовательности ДНК идентифицируются с помощью микромассивов или высокопроизводительного секвенирования (ChIP-seq) для определения участков связывания фактора транскрипции. Если антитело к интересующему белку недоступно, DamID может служить удобной альтернативой.
Классы
Как описано более подробно ниже, факторы транскрипции могут быть классифицированы по (1) механизму их действия, (2) регуляторной функции или (3) гомологии последовательностей (и, следовательно, структурному сходству) в их доменах связывания с ДНК.